7700. Признак перпендикулярности прямой и плоскости. Докажите, что прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна двум пересекающимся прямым этой плоскости.
Решение. Первый способ. Определение. Говорят, что прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна каждой прямой этой плоскости.
Пусть прямая
h
перпендикулярна пересекающимся прямым
a
и
b
плоскости
\alpha
. Докажем, что прямая
h
перпендикулярна произвольной прямой
c
этой плоскости, непараллельной прямым
a
и
b
.
Через точку
A
пересечения прямой
h
с плоскостью
\alpha
проведём прямые
AB
,
AC
и
AD
, соответственно параллельные прямым
a
,
b
и
c
. Обозначим через
P
точку пересечения прямых
AD
и
BC
. На прямой
h
отложим по разные стороны от плоскости
\alpha
равные отрезки
AM
и
AN
.
Прямоугольные треугольники
MAC
и
NAC
равны по двум катетам. Аналогично, равны прямоугольные треугольники
MAB
и
NAB
. Значит, треугольники
BMC
и
BNC
равны по трём сторонам. Следовательно,
\angle MCB=\angle NCB
. Тогда треугольники
MCD
и
NCD
равны по двум сторонам и углу между ними, поэтому
MD=ND
, а так как в равнобедренном треугольнике
MDN
медиана
DA
является высотой, то
MA\perp AD
. Значит,
h\perp AD
, а так как
AD\parallel c
, то
h\perp c
.
Таким образом, прямая
h
перпендикулярна каждой прямой плоскости
\alpha
. Следовательно, прямая
h
перпендикулярна плоскости
\alpha
.
Второй способ. Пусть прямая
h
перпендикулярна пересекающимся прямым
a
и
b
плоскости
\alpha
. Докажем, что прямая
h
перпендикулярна произвольной прямой
c
этой плоскости, непараллельной прямым
a
и
b
.
Выберем на прямых
h
,
a
,
b
и
c
ненулевые векторы
\overrightarrow{h}
,
\overrightarrow{a}
,
\overrightarrow{b}
и
\overrightarrow{c}
соответственно. Поскольку прямые
a
и
b
— пересекающиеся, векторы
\overrightarrow{a}
и
\overrightarrow{b}
не коллинеарны. Поэтому существует единственная пара чисел
x
и
y
, для которой
\overrightarrow{c}=x\overrightarrow{a}+y\overrightarrow{b}
. Тогда для скалярного произведения векторов
\overrightarrow{h}
и
\overrightarrow{c}
верно равенство
\overrightarrow{h}\cdot\overrightarrow{c}=\overrightarrow{h}\cdot(x\overrightarrow{a}+y\overrightarrow{b})=\overrightarrow{h}\cdot(x\overrightarrow{a})+\overrightarrow{h}\cdot(y\overrightarrow{b})=

=x(\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{h})+y(\overrightarrow{b}\cdot\overrightarrow{h})=x\cdot0+y\cdot0=0.

Следовательно,
h\perp c
.
Таким образом, прямая
h
перпендикулярна каждой прямой плоскости
\alpha
. Следовательно, прямая
h
перпендикулярна плоскости
\alpha
.