7553. В прямоугольном параллелепипеде
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
известно, что
AB=3
,
BC=2
,
CC_{1}=4
. На ребре
AB
взята точка
M
, причём
AM:MB=1:2
;
K
— точка пересечения диагоналей грани
CC_{1}D_{1}D
. Найдите угол и расстояние между прямыми
D_{1}M
и
B_{1}K
.
Ответ.
\arccos\frac{5}{\sqrt{861}}
,
\frac{20}{\sqrt{209}}
.
Указание. Выберите прямоугольную систему координат. Через прямую
D_{1}M
проведите плоскость, параллельную прямой
B_{1}K
. Затем найдите расстояние от произвольной точки прямой
B_{1}K
до проведённой плоскости.
Решение. Выберем систему координат с началом в точке
D_{1}
. Ось
x
направим по лучу
D_{1}C_{1}
, ось
y
— по лучу
D_{1}A_{1}
, ось
z
— по лучу
D_{1}D
. Тогда координаты концов отрезков
D_{1}M
и
B_{1}K
таковы:
D_{1}(0;0;0),~M(1;2;4),~B_{1}(3;2;0),~K\left(\frac{3}{2};0;2\right).

Найдём координаты векторов
\overrightarrow{D_{1}M}
и
\overrightarrow{B_{1}K}
:
\overrightarrow{D_{1}M}=(1;2;4),~\overrightarrow{B_{1}K}=\left(-\frac{3}{2};-2;2\right).

Пусть
\varphi
— угол между векторами
\overrightarrow{D_{1}M}
и
\overrightarrow{B_{1}K}
. Тогда
\cos\varphi=\frac{\overrightarrow{D_{1}M}\cdot\overrightarrow{B_{1}K}}{|\overrightarrow{D_{1}M}|\cdot|\overrightarrow{B_{1}K}|}=\frac{-\frac{3}{2}-4+8}{\sqrt{(1+4+16)\left(\frac{9}{4}+4+4\right)}}=\frac{5}{\sqrt{21\cdot41}}=\frac{5}{\sqrt{861}}.

Если
\alpha
— угол между прямыми
D_{1}M
и
B_{1}K
, то
\cos\alpha=|\cos\varphi|=\frac{5}{\sqrt{861}}.

Пусть
\overrightarrow{n}=(a;b;c)
— вектор, перпендикулярный прямым
D_{1}M
и
B_{1}K
. Тогда
\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{D_{1}M}=0
и
\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{B_{1}K}=0
, или
\syst{a+2b+4c=0\\\frac{3}{2}a-2b+2c=0.\\}

Сложив почленно эти уравнения, получим, что
-\frac{1}{2}a+6c=0
, или
a=12c
. Положим
c=1
. Тогда
a=12
,
b=\frac{1}{2}(-a-4c)=-8
.
Через точку
D_{1}
проведём плоскость, перпендикулярную вектору
\overrightarrow{n}=(12;-8;1)
:
12x-8y+z=0.

Эта плоскость проходит через прямую
D_{1}M
параллельно прямой
B_{1}K
, значит, расстояние между прямыми
D_{1}M
и
B_{1}K
равно расстоянию от произвольной точки прямой
B_{1}K
(например, от точки
B_{1}(3;2;0)
) до этой плоскости (см. задачу 7889). Если
\rho
— искомое расстояние, то
\rho=\frac{|12\cdot3-8\cdot2+0|}{\sqrt{12^{2}+8^{2}+1^{2}}}=\frac{20}{\sqrt{209}}.