9704. Точки
M
и
N
— середины рёбер
PB
и
SA
правильного октаэдра
SABCDP
с ребром 1 (
ABCD
— квадрат). Найдите угол и расстояние между прямыми
AM
и
BN
.
Ответ.
\arccos\frac{5}{6}
;
\sqrt{\frac{2}{11}}
.
Решение. Пусть
O
— центр квадрата
ABCD
,
K
и
L
— середины рёбер
CD
и
SD
соответственно. Диагонали
AC
и
ML
четырёхугольника
AMCL
делятся точкой
O
пересечения пополам, значит, это параллелограмм. Тогда
CL\parallel AM
, а так как
LN
— средняя линия треугольника
ASD
, то
LN\parallel AD\parallel BK
и
LM=\frac{1}{2}AD=\frac{1}{2}BC=BK
. Значит,
CKNL
— тоже параллелограмм, поэтому
KN\parallel CL\parallel AM
и
KN=CL=\frac{\sqrt{3}}{2}
. Тогда угол
\alpha
между скрещивающимися прямыми
AM
и
BN
равен углу между пересекающимися прямыми
KN
и
BN
, т. е. углу
BNK
. В треугольнике
BNK
известно, что
BN=KN=\frac{\sqrt{3}}{2},~BK=\frac{1}{2}.

Следовательно,
\cos\alpha=\cos\angle BNK=\frac{BN^{2}+KN^{2}-BK^{2}}{2BN\cdot KN}=\frac{\frac{3}{4}+\frac{3}{4}-\frac{1}{4}}{2\cdot\frac{3}{4}}=\frac{5}{6}.

Прямая
AM
параллельна прямой
CL
, лежащей в плоскости
BNK
, значит, прямая
AM
параллельна этой плоскости. Тогда расстояние
d
между прямыми
AM
и
BN
равно расстоянию от любой точки прямой
AM
до плоскости
BNK
(см. задачу 7889), например, от точки
A
. В свою очередь, поскольку
O
— середина наклонной
AC
к плоскости
BNK
, расстояние
d
вдвое больше расстояния от точки
O
до этой плоскости (см. задачу 9180).
Пусть
F
— середина ребра
AD
,
H
— основание перпендикуляра, опущенного из точки
O
на высоту
KT
равнобокой трапеции
BCLN
. Тогда
OH
— перпендикуляр к плоскости
BCLN
, так как
OH\perp KT
и
OH\perp BC
. Пусть
G
— точка пересечения
KT
и
SO
. Тогда
G
— точка пересечения медиан треугольника
KSF
,
OG=\frac{1}{3}SO=\frac{\sqrt{2}}{6},~OK=\frac{1}{2},~KG=\sqrt{OG^{2}+OK^{2}}=\sqrt{\frac{1}{18}+\frac{1}{4}}=\frac{\sqrt{11}}{6}.

Следовательно,
d=2OH=\frac{2\cdot OG\cdot OK}{KG}=\frac{2\cdot\frac{\sqrt{2}}{6}\cdot\frac{1}{2}}{\frac{\sqrt{11}}{6}}=\sqrt{\frac{2}{11}}.