7264. Ребро куба
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
равно
a
. На диагоналях
D_{1}A
и
A_{1}B
взяты соответственно точки
M
и
N
, причём
D_{1}M:D_{1}A=NB:A_{1}B=1:3
. Найдите расстояние от вершины
C
до прямой
MN
.
Ответ.
\frac{a\sqrt{10}}{3}
.
Решение. Обозначим
\overrightarrow{CD}=\overrightarrow{x}
,
\overrightarrow{CB}=\overrightarrow{y}
,
\overrightarrow{CC_{1}}=\overrightarrow{z}
(x=y=z=a)
, Тогда
\overrightarrow{NM}=\frac{2}{3}\overrightarrow{x}-\frac{2}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}.

Пусть
K
— основание перпендикуляра, опущенного из точки
C
на прямую
MN
. Обозначим
\frac{NK}{NM}=\alpha
. Тогда
\overrightarrow{NK}=\alpha\overrightarrow{NM}=\alpha\left(\frac{2}{3}\overrightarrow{x}-\frac{2}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}\right)=\frac{2}{3}\alpha\overrightarrow{x}-\frac{2}{3}\alpha\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\alpha\overrightarrow{z},

\overrightarrow{CK}=\overrightarrow{CN}+\overrightarrow{NK}=\left(\frac{1}{3}\overrightarrow{x}+\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}\right)+\alpha\left(\frac{2}{3}\overrightarrow{x}-\frac{2}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}\right)=

=\left(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\alpha\right)\overrightarrow{x}+\left(1-\frac{2}{3}\alpha\right)\overrightarrow{y}+\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{3}\alpha\right)\overrightarrow{z}.

Поскольку
CK\perp NM
, скалярное произведение векторов
\overrightarrow{CK}
и
\overrightarrow{NM}
равно нулю, т. е.
\left(\left(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\alpha\right)\overrightarrow{x}+\left(1-\frac{2}{3}\alpha\right)\overrightarrow{y}+\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{3}\alpha\right)\overrightarrow{z}\right)\left(\frac{2}{3}\overrightarrow{x}-\frac{2}{3}\overrightarrow{y}+\frac{1}{3}\overrightarrow{z}\right)=

=\frac{2}{3}\left(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\alpha\right)a^{2}-\frac{2}{3}\left(1-\frac{2}{3}\alpha\right)a^{2}+\frac{1}{3}\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{3}\alpha\right)a^{2}=

=\left(\frac{2}{3}\left(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\alpha\right)-\frac{2}{3}\left(1-\frac{2}{3}\alpha\right)+\frac{1}{3}\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{3}\alpha\right)\right)a^{2}=0,

откуда находим, что
\alpha=\frac{1}{3}
. Значит,
\overrightarrow{CK}=\left(\frac{1}{3}+\frac{2}{9}\right)\overrightarrow{x}+\left(1-\frac{2}{9}\right)\overrightarrow{y}+\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{9}\right)\overrightarrow{z}=\frac{5}{9}\overrightarrow{x}+\frac{7}{9}\overrightarrow{y}+\frac{4}{9}\overrightarrow{z}.

Следовательно,
CK^{2}=\overrightarrow{CK}^{2}=\left(\frac{25}{81}+\frac{49}{81}+\frac{16}{81}\right)a^{2}=\frac{90}{81}a^{2},~CK=\frac{a\sqrt{10}}{3}.