7175. Дан куб
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
с ребром
a
. Найдите расстояние между прямыми
A_{1}D
и
D_{1}C
и постройте их общий перпендикуляр.
Ответ.
\frac{a\sqrt{3}}{3}
.
Решение. Первый способ. Рассмотрим сечения данного куба плоскостями
CD_{1}B_{1}
и
A_{1}BD
(рис. 1). Эти плоскости параллельны, так как две пересекающиеся прямые
CD_{1}
и
B_{1}D_{1}
одной из них соответственно параллельны прямым
BA_{1}
и
BD
.
Прямая
AC_{1}
перпендикулярна
B_{1}D_{1}
, так как её ортогональная проекция
A_{1}C_{1}
на плоскость
A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
перпендикулярна прямой
B_{1}D_{1}
. Аналогично,
AC_{1}\perp CD_{1}
. Поэтому прямая
AC_{1}
перпендикулярна плоскости
CB_{1}D_{1}
, а значит, и плоскости
A_{1}BD
.
Кроме того, известно, что диагональ
AC_{1}
проходит через точки
E
и
F
пересечения медиан треугольников
CD_{1}B_{1}
и
A_{1}BD
и делится этими точками на три равные части. Поэтому расстояние между скрещивающимися прямыми
A_{1}D
и
D_{1}C
равно длине отрезка
EF
. Поскольку диагональ куба с ребром
a
, равна
a\sqrt{3}
,
EF=\frac{1}{3}AC_{1}=\frac{a\sqrt{3}}{3}.

При ортогональном проектировании треугольника
A_{1}BD
на плоскость треугольника
CD_{1}B_{1}
(рис. 2) центр
F
треугольника
A_{1}BD
переходит в центр
E
треугольника
CD_{1}B_{1}
, а треугольник
A_{1}BD
переходит в равный ему равносторонний треугольник
A'B'D'
с центром
E
, причём стороны этого треугольника соответственно параллельны сторонам треугольника
CD_{1}B_{1}
.
Пусть
X
— точка пересечения
CD_{1}
и
A'D'
, а
Y
— точка на отрезке
A_{1}D
, которая при рассматриваемом проектировании перешла в точку
X
. Тогда
XY
— общий перпендикуляр скрещивающихся прямых
A_{1}D
и
D_{1}C
. Ясно, что
\frac{A_{1}X}{XD}=\frac{CY}{YD_{1}}=2
.
Второй способ. Пусть
X
— точка на диагонали
A_{1}D
квадрата
AA_{1}D_{1}D
,
Y
— на диагонали
CD_{1}
квадрата
CC_{1}D_{1}D
, причём
\frac{DX}{DA_{1}}=\frac{D_{1}Y}{CD_{1}}=\frac{1}{3}
. Рассмотрим векторы
\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{x}
,
\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{y}
,
\overrightarrow{AA_{1}}=\overrightarrow{z}
. Тогда
\overrightarrow{A_{1}D}=-\overrightarrow{z}+\overrightarrow{y},~\overrightarrow{CD_{1}}=-\overrightarrow{x}+\overrightarrow{z},

\overrightarrow{XY}=\overrightarrow{XD}+\overrightarrow{DC}+\overrightarrow{CY}=\frac{1}{3}\overrightarrow{AA_{1}}+\overrightarrow{DC}+\frac{2}{3}\overrightarrow{CD_{1}}=

=\frac{1}{3}(-\overrightarrow{z}+\overrightarrow{y})+\overrightarrow{x}+\frac{2}{3}(-\overrightarrow{x}+\overrightarrow{z})=\frac{1}{3}\overrightarrow{x}+\frac{1}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z},

\overrightarrow{XY}\cdot\overrightarrow{AD_{1}}=\left(\frac{1}{3}\overrightarrow{x}+\frac{1}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}\right)\cdot(-\overrightarrow{z}+\overrightarrow{y})=\frac{1}{3}a^{2}-\frac{1}{3}a^{2}=0,

\overrightarrow{XY}\cdot\overrightarrow{CD_{1}}=\left(\frac{1}{3}\overrightarrow{x}+\frac{1}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}\right)\cdot(-\overrightarrow{x}+\overrightarrow{z})=-\frac{1}{3}a^{2}+\frac{1}{3}a^{2}=0.

Следовательно,
XY\perp A_{1}D
и
XY\perp CD_{1}
. Поэтому
XY
— общий перпендикуляр скрещивающихся прямых
A_{1}D
и
CD_{1}
и
XY=\sqrt{\left(\frac{1}{3}\overrightarrow{x}+\frac{1}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}\right)^{2}}=\sqrt{\frac{a^{2}}{9}+\frac{a^{2}}{9}+\frac{a^{2}}{9}}=\frac{a\sqrt{3}}{3}.