Расстояние между двумя скрещивающимися прямыми называется. Взаимное расположение прямых в пространстве. Задачи с прямой в пространстве

В этой статье внимание нацелено на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми методом координат. Сначала дано определение расстояния между скрещивающимися прямыми. Далее получен алгоритм, позволяющий найти расстояние между скрещивающимися прямыми. В заключении детально разобрано решение примера.

Навигация по странице.

Расстояние между скрещивающимися прямыми – определение.

Прежде чем дать определение расстояния между скрещивающимися прямыми, напомним определение скрещивающихся прямых и докажем теорему, связанную со скрещивающимися прямыми.

Определение.

– это расстояние между одной из скрещивающихся прямых и параллельной ей плоскостью, проходящей через другую прямую.

В свою очередь расстояние между прямой и параллельной ей плоскостью есть расстояние от некоторой точки прямой до плоскости. Тогда справедлива следующая формулировка определения расстояния между скрещивающимися прямыми.

Определение.

Расстояние между скрещивающимися прямыми – это расстояние от некоторой точки одной из скрещивающихся прямых до плоскости, проходящей через другую прямую параллельно первой прямой.

Рассмотрим скрещивающиеся прямые a и b . Отметим на прямой a некоторую точку М 1 , через прямую b проведем плоскость , параллельную прямой a , и из точки М 1 опустим перпендикуляр М 1 H 1 на плоскость . Длина перпендикуляра M 1 H 1 есть расстояние между скрещивающимися прямыми a и b .

Нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми – теория, примеры, решения.

При нахождении расстояния между скрещивающимися прямыми основная сложность часто заключается в том, чтобы увидеть или построить отрезок, длина которого равна искомому расстоянию. Если такой отрезок построен, то в зависимости от условий задачи его длина может быть найдена с помощью теоремы Пифагора, признаков равенства или подобия треугольников и т.п. Так мы и поступаем при нахождении расстояния между скрещивающимися прямыми на уроках геометрии в 10-11 классах.

Если же в трехмерном пространстве введена Oxyz и в ней заданы скрещивающиеся прямые a и b , то справиться с задачей вычисления расстояния между заданными скрещивающимися прямыми позволяет метод координат. Давайте его подробно разберем.

Пусть - плоскость, проходящая через прямую b , параллельно прямой a . Тогда искомое расстояние между скрещивающимися прямыми a и b по определению равно расстоянию от некоторой точки М 1 , лежащей на прямой a , до плоскости . Таким образом, если мы определим координаты некоторой точки М 1 , лежащей на прямой a , и получим нормальное уравнение плоскости в виде , то мы сможем вычислить расстояние от точки до плоскости по формуле (эта формула была получена в статье нахождение расстояния от точки до плоскости). А это расстояние равно искомому расстоянию между скрещивающимися прямыми.

Теперь подробно.

Задача сводится к получению координат точки М 1 , лежащей на прямой a , и к нахождению нормального уравнения плоскости .

С определением координат точки М 1 сложностей не возникает, если хорошо знать основные виды уравнений прямой в пространстве . А вот на получении уравнения плоскости стоит остановиться подробнее.

Если мы определим координаты некоторой точки М 2 , через которую проходит плоскость , а также получим нормальный вектор плоскости в виде , то мы сможем написать общее уравнение плоскости как .

В качестве точки М 2 можно взять любую точку, лежащую на прямой b , так как плоскость проходит через прямую b . Таким образом, координаты точки М 2 можно считать найденными.

Осталось получить координаты нормального вектора плоскости . Сделаем это.

Плоскость проходит через прямую b и параллельна прямой a . Следовательно, нормальный вектор плоскости перпендикулярен и направляющему вектору прямой a (обозначим его ), и направляющему вектору прямой b (обозначим его ). Тогда в качестве вектора можно взять и , то есть, . Определив координаты и направляющих векторов прямых a и b и вычислив , мы найдем координаты нормального вектора плоскости .

Итак, мы имеем общее уравнение плоскости : .

Остается только привести общее уравнение плоскости к нормальному виду и вычислить искомое расстояние между скрещивающимися прямыми a и b по формуле .

Таким образом, чтобы найти расстояние между скрещивающимися прямыми a и b нужно:

Разберем решение примера.

Пример.

В трехмерном пространстве в прямоугольной системе координат Oxyz заданы две скрещивающиеся прямые a и b . Прямую a определяют

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Стереометрия Расстояние между скрещивающимися прямыми

Общим перпендикуляром двух скрещивающихся прямых называют отрезок с концами на этих прямых, являющийся перпендикуляром к каждой из них. a b A B Расстоянием между скрещивающимися прямыми называют длину их общего перпендикуляра.

Способы вычисления расстояния между скрещивающимися прямыми. Расстояние между скрещивающимися прямыми равно расстоянию от любой точки одной из этих прямых до плоскости, проходящей через вторую прямую параллельно первой прямой.

Способы вычисления расстояния между скрещивающимися прямыми. Расстояние между скрещивающимися прямыми равно расстоянию между двумя параллельными плоскостями, содержащими эти прямые.

№ 1 В единичном кубе найдите

№ 2 В единичном кубе найдите

№ 3 В единичном кубе найдите

№ 4 В единичном кубе найдите

Общий перпендикуляр двух скрещивающихся прямых и есть отрезок, соединяющий середины отрезков и Е – середина F – середина

№ 5 В единичном кубе найдите ~

Способы вычисления расстояния между скрещивающимися прямыми. Расстояние между скрещивающимися прямыми равно расстоянию между их проекциями на плоскость, перпендикулярную одной из них.

№ 5 В единичном кубе найдите O – проекция прямой АС на плоскость

№ 6 Дана правильная пирамида PABC c боковым ребром PA = 3 и стороной основания 2 . Найдите

Прямоугольный - прямоугольный - прямоугольный

№ 7 В единичном кубе найдите расстояние между прямыми и

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Угол между скрещивающимися прямыми

Презентация для подготовки к сдаче ЕГЭ по математике по теме "Угол между скрещивающимися прямыми"...

Разработана совместно с учащимися 11 класса. Рассмотрены различные методы решения задач по данной теме....

\(\blacktriangleright\) Скрещивающиеся прямые – это прямые, через которые нельзя провести одну плоскость.

Признак скрещивающихся прямых: если первая прямая пересекает плоскость, в которой лежит вторая прямая, в точке, не лежащей на второй прямой, то такие прямые скрещиваются.

\(\blacktriangleright\) Т.к. через одну из скрещивающихся прямых проходит ровно одна плоскость, параллельная другой прямой, то расстояние между скрещивающимися прямыми - это расстояние между одной из этих прямых и плоскостью, проходящей через вторую прямую параллельно первой.

Таким образом, если прямые \(a\) и \(b\) скрещиваются, то:

Шаг 1. Провести прямую \(c\parallel b\) так, чтобы прямая \(c\) пересекалась с прямой \(a\) . Плоскость \(\alpha\) , проходящая через прямые \(a\) и \(c\) , и будет плоскостью, параллельной прямой \(b\) .

Шаг 2. Из точки пересечения прямых \(a\) и \(c\) (\(a\cap c=H\) ) опустить перпендикуляр \(HB\) на прямую \(b\) (первый способ).

Или из любой точки \(B"\) прямой \(b\) опустить перпендикуляр на прямую \(c\) (второй способ).

В зависимости от условия задачи какой-то из этих двух способов может быть гораздо удобнее другого.

Задание 1 #2452

Уровень задания: Легче ЕГЭ

В кубе \(ABCDA_1B_1C_1D_1\) , ребро которого равно \(\sqrt{32}\) , найдите расстояние между прямыми \(DB_1\) и \(CC_1\) .

Прямые \(DB_1\) и \(CC_1\) скрещиваются по признаку, т.к. прямая \(DB_1\) пересекает плоскость \((DD_1C_1)\) , в которой лежит \(CC_1\) , в точке \(D\) , не лежащей на \(CC_1\) .

Расстояние между скрещивающимися прямыми будем искать как расстояние между прямой \(CC_1\) и плоскостью, проходящей через \(DB_1\) параллельно \(CC_1\) . Т.к. \(DD_1\parallel CC_1\) , то плоскость \((B_1D_1D)\) параллельна \(CC_1\) .
Докажем, что \(CO\) – перпендикуляр на эту плоскость. Действительно, \(CO\perp BD\) (как диагонали квадрата) и \(CO\perp DD_1\) (т.к. ребро \(DD_1\) перпендикулярно всей плоскости \((ABC)\) ). Таким образом, \(CO\) перпендикулярен двум пересекающимся прямым из плоскости, следовательно, \(CO\perp (B_1D_1D)\) .

\(AC\) , как диагональ квадрата, равна \(AB\sqrt2\) , то есть \(AC=\sqrt{32}\cdot \sqrt2=8\) . Тогда \(CO=\frac12\cdot AC=4\) .

Ответ: 4

Задание 2 #2453

Уровень задания: Сложнее ЕГЭ

Дан куб \(ABCDA_1B_1C_1D_1\) . Найдите расстояние между прямыми \(AB_1\) и \(BC_1\) , если ребро куба равно \(a\) .

1) Заметим, что эти прямые скрещиваются по признаку, т.к. прямая \(AB_1\) пересекает плоскость \((BB_1C_1)\) , в которой лежит \(BC_1\) , в точке \(B_1\) , не лежащей на \(BC_1\) .
Расстояние между скрещивающимися прямыми будем искать как расстояние между прямой \(BC_1\) и плоскостью, проходящей через \(AB_1\) параллельно \(BC_1\) .

Для этого проведем \(AD_1\) - она параллельна \(BC_1\) . Следовательно, по признаку плоскость \((AB_1D_1)\parallel BC_1\) .

2) Опустим перпендикуляр \(C_1H\) на эту плоскость и докажем, что точка \(H\) упадет на продолжение отрезка \(AO\) , где \(O\) – точка пересечения диагоналей квадрата \(A_1B_1C_1D_1\) .
Действительно, т.к. по свойству квадрата \(C_1O\perp B_1D_1\) , то по теореме о трех перпендикуляр проекция \(HO\perp B_1D_1\) . Но \(\triangle AB_1D_1\) равнобедренный, следовательно, \(AO\) – медиана и высота. Значит, точка \(H\) должна лежать на прямой \(AO\) .

3) Рассмотрим плоскость \((AA_1C_1)\) .

\(\triangle AA_1O\sim \triangle OHC_1\) по двум углам (\(\angle AA_1O=\angle OHC_1=90^\circ\) , \(\angle AOA_1=\angle HOC_1\) ). Таким образом,

\[\dfrac{C_1H}{AA_1}=\dfrac{OC_1}{AO} \qquad (*)\]

По теореме Пифагора из \(\triangle AA_1O\) : \

Следовательно, из \((*)\) теперь можно найти перпендикуляр

Ответ:

\(\dfrac a{\sqrt3}\)

Задание 3 #2439

Уровень задания: Сложнее ЕГЭ

\(OK\) перпендикулярен прямой \(A_1B\) .
Действительно, проведем \(KH\parallel B_1C_1\) (следовательно, \(H\in AB_1\) ). Тогда т.к. \(B_1C_1\perp (AA_1B_1)\) , то и \(KH\perp (AA_1B_1)\) . Тогда по теореме о трех перпендикулярах (т.к. проекция \(HO\perp A_1B\) ) наклонная \(KO\perp A_1B\) , чтд.
Таким образом, \(KO\) – искомое расстояние.

Заметим, что \(\triangle AOK\sim \triangle AC_1B_1\) (по двум углам). Следовательно,

\[\dfrac{AO}{AC_1}=\dfrac{OK}{B_1C_1} \quad \Rightarrow \quad OK=\dfrac{\sqrt6\cdot \sqrt2}{2\sqrt3}=1.\]

Пусть плоскость `alpha` параллельна плоскости `beta`, прямая `b` лежит в плоскости `beta`, точка `B` лежит на прямой `b`. Очевидно, что расстояние от точки `B` до плоскости `alpha` равно расстоянию от прямой `b` до плоскости `alpha` и равно расстоянию между плоскостями `alpha` и `beta`.

Рассмотрим две скрещивающиеся прямые `a` и `b`. Проведём через прямую `a` плоскость, параллельную прямой `b`. Через прямую `b` проведём плоскость, перпендикулярную плоскости `alpha`, пусть линия пересечения этих плоскостей `b_1` (эта прямая есть проекция прямой `b` на плоскость `alpha`). Точку пересечения прямых `a` и `b_1` обозначим `A`. Точка `A` является проекцией некоторой точки `B` прямой `b`. Из того, что `AB_|_alpha`, следует, что `AB_|_a` и `AB_|_b_1`; кроме того `b``||``b_1`, значит `AB_|_b` - . Прямая `AB` пересекает скрещивающиеся прямые `a` и `b` и перпендикулярна и той, и другой. Отрезок `AB` называется общим перпендикуляром двух скрещивающихся прямых.

Длина общего перпендикуляра скрещивающихся прямых равна расстоянию от любой точки прямой `b` до плоскости `alpha`.

* Расстояние между скрещивающимися прямыми равно длине их общего перпендикуляра. Пусть в пространстве задана прямая `l_1` с известным направляющим вектором `veca_1` (направляющим вектором прямой называется ненулевой вектор, параллельный этой прямой), прямая `l_2` с известным направляющим вектором `veca_2`, точки `A_1` и `A_2`, лежащие соответственно на `l_1` и `l_2`, кроме того, известен вектор `vec(A_1A_2)=vecr`. Пусть отрезок `P_1P_2` - общий перпендикуляр к `l_1` и `l_2` (см. рис. 9). Задача заключается в нахождении длины этого отрезка. Представим вектор `vec(P_1P_2)` в виде суммы `vec(P_1A_1)+vec(A_1A_2)+vec(A_2P_2)`. Затем, пользуясь коллинеарностью векторов `vec(P_1A_1)` и `veca_1`, `vec(A_2P_2)` и `veca_2`, получим для вектора `vec(P_1P_2)` представление `vec(P_1P_2)=xveca_1+yveca_2+vecr`, где `x` и `y` - неизвестные пока числа. Эти числа можно найти из условия перпендикулярности вектора `vec(P_1P_2)` векторам `veca_1` и `veca_2`, т. е. из следующей системы линейных уравнений:

x a → 1 + y a → 2 + r → · a → 1 = 0 , x a → 1 + y a → 2 + r → · a → 2 = 0 . \left\{\begin{array}{l}\left(x{\overrightarrow a}_1+y{\overrightarrow a}_2+\overrightarrow r\right)\cdot{\overrightarrow a}_1=0,\\\left(x{\overrightarrow a}_1+y{\overrightarrow a}_2+\overrightarrow r\right)\cdot{\overrightarrow a}_2=0.\end{array}\right.

После этого находим длину вектора `vec(P_1P_2):`

`P_1P_2=sqrt((xveca_1+yveca_2+vecr)^2)`.

Вычислить расстояние между скрещивающимися диагоналями двух соседних граней куба с ребром `a`.

Пусть дан куб `A...D_1` c ребром `a`. Найдём расстояние между прямыми `AD_1` и `DC_1` (рис. 10). Введём базис `veca=vec(DA)`, `vecb=vec(DC)`, `vecc=vec(DD_1)`. За направляющие векторы прямых `AD_1` и `DC_1` можно взять `vec(AD_1)=vecc-veca` и `vec(DC_1)=vecb+vecc`. Если `P_1P_2` - общий перпендикуляр к рассматриваемым прямым, то `vec(P_1P_2)=x(vecc-veca)+y(vecb+vecc)+veca`.

Составим систему уравнений для нахождения неизвестных чисел `x` и `y`:

x c → - a → + y b → + c → + a → · c → - a → = 0 , x c → - a → + y b → + c → + a → · b → + c → = 0 . \left\{\begin{array}{l}\left(x\left(\overrightarrow c-\overrightarrow a\right)+y\left(\overrightarrow b+\overrightarrow c\right)+\overrightarrow a\right)\cdot\left(\overrightarrow c-\overrightarrow a\right)=0,\\\left(x\left(\overrightarrow c-\overrightarrow a\right)+y\left(\overrightarrow b+\overrightarrow c\right)+\overrightarrow a\right)\cdot\left(\overrightarrow b+\overrightarrow c\right)=0.\end{array}\right.

Приведём эту систему к равносильной:

2 x + y - 1 = 0 , x + 2 y = 0 . \left\{\begin{array}{l}2x+y-1=0,\\x+2y=0.\end{array}\right.

Отсюда находим `x=2/3`, `y=-1/3`. Тогда

`vec(P_1P_2)=2/3(vecc-veca)-1/3(vecb+vecc)+veca=1/3veca-1/3vecb+1/3vecc`,

Геометрия. 11 класс

Тема урока: Расстояние между скрещивающимися прямыми

Тер-Ованесян Г.Л., учитель высшей категории, лауреат премии Фонда Сороса

г. Москва

Рассмотрим задачу на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми. Расстояние между скрещивающимися прямыми - это длина общего перпендикуляра к этим прямым.

Пусть нам дан куб АВСDА 1 В 1 С 1 D 1 , ребро которого равно единице АВ=1. Нужно найти расстояние между прямыми АВ и DC 1: ρ(АВ;DС 1) - ?

Эти две прямые лежат в параллельных плоскостях: АВ лежит в плоскости АА 1 В 1 В, DС 1 лежит в плоскости D 1 DС 1 С. Найдем сначала перпендикуляр к этим двум плоскостям. Таких перпендикуляров на рисунке много. Это отрезок ВС, В 1 С 1 , А 1 D 1 и AD. Из них имеет смысл выбрать тот отрезок, который не только перпендикулярен этим плоскостям, а значит перпендикулярен и нашим прямым АВ и DC 1 , но и проходит через эти прямые. Такой отрезок - AD. Он одновременно перпендикулярен прямой АВ, потому что перпендикулярен плоскости АА 1 В 1 В и прямой DC 1 , потому что перпендикулярен плоскости D 1 DС 1 С. И значит, что AD - это общий перпендикуляр к скрещивающимся прямым АВ и DC 1 . Расстояние между этими прямыми - длина этого перпендикуляра, то есть длина отрезка АD. Но AD - это ребро куба. Следовательно, расстояние равно 1:

ρ(АВ;DС 1)=AD=1

Рассмотрим ещё одну задачу, чуть более сложную, о нахождении расстояния между скрещивающимися прямыми.

Пусть нам дан опять куб, ребро которого равно единице. Нужно найти расстояние между диагоналями противоположных граней. То есть, дан куб АВСDА 1 В 1 С 1 D 1 . Ребро АВ=1. Нужно найти расстояние между прямыми ВА 1 и DC 1: ρ(А 1 В;DС 1) - ?

Эти две прямые скрещивающиеся, значит, расстояние - это длина общего перпендикуляра. Можно не рисовать общий перпендикуляр, а сформулировать следующим образом: это длина перпендикуляра между параллельными плоскостями, в которых лежат эти прямые. Прямая ВА 1 лежит в плоскости АВВ 1 А 1 , а прямая DC 1 лежит в плоскости D 1 DCC 1 . Они параллельны, значит, расстояние между ними и есть расстояние между этими прямыми. А расстояние между гранями куба - это длина ребра. Например, длина ребра ВС. Потому что ВС перпендикулярно и плоскости АВВ 1 А 1, и плоскости DСС 1 D 1 . Значит, расстояние между прямыми, данными в условии, равно расстоянию между параллельными плоскостями и равно 1:

ρ(А 1 В;DС 1)=ВС=1

Рассмотрим ещё одну задачу о нахождении расстояния между скрещивающимися прямыми.

Пусть у нас дана правильная треугольная призма, у которой известны все ребра. Нужно найти расстояние между ребрами верхнего и нижнего оснований. То есть нам дана призма АВСА 1 В 1 С 1 . Причем, АВ=3=АА 1 . Нужно найти расстояние между прямыми ВС и А 1 С 1: ρ(ВС;А 1 С 1) - ?

Поскольку эти прямые скрещиваются, то расстояние между ними - это длина общего перпендикуляра, или длина перпендикуляра к параллельным плоскостям, в которых они лежат. Найдем эти параллельные плоскости.

Прямая ВС лежит в плоскости АВС, а прямая А 1 С 1 лежит в плоскости А 1 В 1 С 1 . Эти две плоскости параллельны, поскольку это верхнее и нижнее основания призмы. Значит, расстояние между нашими прямыми - это расстояние между этими параллельными плоскостями. А расстояние между ними равно в точности длине бокового ребра АА 1 , то есть равно 3:

ρ(ВС;А 1 С 1)=АА 1 =3

В данной конкретной задаче можно найти не только длину общего перпендикуляра, но и построить его. Для этого мы из всех боковых рёбер выбираем такое, которое имеет общие точки с прямой ВС и А 1 С 1 . На нашем рисунке это ребро СС 1 . Оно будет перпендикулярно прямой А 1 С 1 , поскольку перпендикулярно плоскости верхнего основания, и прямой ВС, поскольку перпендикулярно плоскости нижнего основания. Таким образом, мы можем найти не только расстояние, но и построить этот общий перпендикуляр.

Сегодня на уроке мы вспомнили, как находить длину общего перпендикуляра между скрещивающимися прямыми.