25 июля

0 comments

Перпендикулярность прямых в пространстве. Визуальный гид (ЕГЭ – 2021)

В пространстве перпендикулярными могут быть:

  • две прямые
  • прямая и плоскость
  • две плоскости

Давай по очереди рассмотрим эти три случая: все относящиеся к ним определения и формулировки теорем.

А потом обсудим очень важную теорему о трёх перпендикулярах.

И ты получишь заслуженные баллы на ЕГЭ!

Поехали!

Перпендикулярность двух прямых

Определение:

Две прямые в пространстве перпендикулярны, если угол между ними \( \displaystyle 90{}^\circ \).

Ты можешь сказать: тоже мне, открыли Америку! Но вспомни, что в пространстве всё не совсем так, как на плоскости.

На плоскости перпендикулярными могут оказаться только такие прямые (пересекающиеся):

А вот перпендикулярность в пространстве двух прямых может быть даже в случае если они не пересекаются. Смотри:

Прямая \( \displaystyle a\) перпендикулярна прямой \( \displaystyle b\), хотя и не пересекается с нею. Как так?

Вспоминаем определение угла между прямыми: чтобы найти угол между скрещивающимися прямыми \( \displaystyle a\) и \( \displaystyle b\), нужно через произвольную точку \( \displaystyle O\) на прямой a провести прямую \( \displaystyle {b}'\parallel b\).

И тогда угол между \( \displaystyle a\) и \( \displaystyle b\) (по определению!) будет равен углу между \( \displaystyle a\) и \( \displaystyle {{b}'}\).

Вспомнили? Ну вот, а в нашем случае – если окажутся перпендикулярны прямые \( \displaystyle a\) и \( \displaystyle {{b}'}\), то нужно считать перпендикулярными прямые \( \displaystyle a\) и \( \displaystyle b\).

Для полной ясности давай рассмотрим пример.

Пусть есть куб \( \displaystyle ABCD{{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}{{D}_{1}}\). И тебя просят найти угол между прямыми \( \displaystyle AC\) и \( \displaystyle {{B}_{1}}{{D}_{1}}\).

Эти прямые не пересекаются – они скрещиваются. Чтобы найти угол между \( \displaystyle AC\) и \( \displaystyle {{B}_{1}}{{D}_{1}}\), проведём \( \displaystyle BD\).

Из-за того, что \( \displaystyle B{{B}_{1}}{{D}_{1}}D\) - параллелограмм (и даже прямоугольник!), получается, что \( \displaystyle {{B}_{1}}{{D}_{1}}\parallel BD\).

А из-за того, что \( \displaystyle ABCD\) – квадрат, выходит, что \( \displaystyle AC\bot BD\). Ну, и значит \( \displaystyle AC\bot {{B}_{1}}{{D}_{1}}\).

Определение:

Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна всем прямым в этой плоскости.

Вот картинка:

Прямая \( \displaystyle h\) перпендикулярна плоскости \( \displaystyle \alpha \), если она перпендикулярна всем-всем прямым в этой плоскости: и \( \displaystyle a\), и \( \displaystyle b\), и \( \displaystyle c\), и даже \( \displaystyle d\)!

И ещё миллиарду других прямых!

Да, но как же тогда вообще можно проверить перпендикулярность в прямой и плоскости? Так и жизни не хватит!

Но на наше счастье математики избавили нас от кошмара бесконечности, придумав признак перпендикулярности прямой и плоскости.

Формулируем:

Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна двум пересекающимся прямым, лежащим в этой плоскости.

Оцени, как здорово:

Если найдутся всего лишь две пересекающиеся прямые (\( \displaystyle a\) и \( \displaystyle b\)) в плоскости \( \displaystyle\alpha\), которым перпендикулярна прямая \( \displaystyle h\), то эта прямая сразу окажется перпендикулярна плоскости \( \displaystyle \alpha \),

То есть всем прямым в этой плоскости (в том числе и какой-то стоящей сбоку прямой \( \displaystyle c\)).

Это очень важная теорема, поэтому нарисуем её смысл ещё и в виде схемы.

Что это за арка? Это значок "пересечение"! Хороший способ быстрее писать конспекты 🙂

Прямая перпендикулярна двум пересекающимся прямым!

И опять рассмотрим пример.

Пусть нам дан правильный тетраэдр \( \displaystyle ABCD\).

Задача: доказать, что \( \displaystyle BD\bot AC\).

Ты скажешь: это же две прямые! При чём же здесь перпендикулярность прямой и плоскости?!

А вот смотри:

Давай отметим середину \( \displaystyle M\) ребра \( \displaystyle AC\) и проведём \( \displaystyle BM\) и \( \displaystyle DM\).

Это медианы в \( \displaystyle \Delta ABC\) и \( \displaystyle \Delta ADC\).

Треугольники – правильные \( \displaystyle \Rightarrow BM\bot AC\) и \( \displaystyle DM\bot AC\).

Вот оно, чудо: получается, что \( \displaystyle AC\bot BMD\), так как \( \displaystyle AC\bot BM\) и \( \displaystyle AC\bot DM\).

И далее, \( \displaystyle AC\bot BMD\Rightarrow AC\bot \) всем прямым в плоскости \( \displaystyle BMD\), а значит, и \( \displaystyle AC\bot BD\). Доказали.

И самым главным моментом оказалось именно применение признака перпендикулярности прямой и плоскости.

Определение:

Плоскости перпендикулярны, если двугранный угол между ними равен \( \displaystyle 90{}^\circ \).

То есть (подробнее смотри в теме «двугранный угол») две плоскости (\( \displaystyle \alpha\) и \( \displaystyle \beta\)) перпендикулярны, если окажется, что угол между двумя перпендикулярами (\( \displaystyle a\) и \( \displaystyle b\)) к линии пересечения этих плоскостей равен \( \displaystyle 90{}^\circ \).

И есть теорема, которая связывает понятие перпендикулярных плоскостей с понятием перпендикулярность в пространстве прямой и плоскости.

Теорема эта называется:

Критерий перпендикулярности плоскостей

Давай сформулируем:

Две плоскости перпендикулярны тогда и только тогда, когда одна из них проходит через перпендикуляр к другой плоскости.

Как всегда, расшифровка слов «тогда и только тогда» выглядит так:

  • Если \( \displaystyle \alpha \bot \beta \), то \( \displaystyle \alpha \) проходит через перпендикуляр к \( \displaystyle \beta \).
  • Если \( \displaystyle \alpha \) проходит через перпендикуляр к \( \displaystyle \beta \), то \( \displaystyle \alpha \bot \beta \).

(естественно, здесь \( \displaystyle \alpha \) и \( \displaystyle \beta \) - плоскости).

Эта теорема – одна из самых важных в стереометрии, но, к сожалению, и одна из самых непростых в применении.

Так что нужно быть очень внимательным!

Итак, формулировка:

Прямая \( \displaystyle a\), не лежащая в плоскости \( \displaystyle \alpha \), перпендикулярна прямой \( \displaystyle b\), лежащей в плоскости \( \displaystyle \alpha \), тогда и только тогда, когда проекция \( \displaystyle {{a}'}\) прямой a перпендикулярна прямой \( \displaystyle b\).

И снова расшифровка слов «тогда и только тогда». Теорема утверждает сразу две вещи (смотри на картинку):

  • \( \displaystyle a\bot b\Rightarrow {a}'\bot b\)
  • \( \displaystyle {a}'\bot b\Rightarrow a\bot b\).

Давай попробуем применить эту теорему для решения задачи.

Задача: дана правильная шестиугольная пирамида \( \displaystyle SABCDEF\). Найти угол между прямыми \( \displaystyle AS\) и \( \displaystyle CE\).

Решение:

Из-за того, что в правильной пирамиде вершина при проекции попадает в центр основания, оказывается, что прямая \( \displaystyle AD\) - проекция прямой \( \displaystyle AS\).

Но мы знаем, что в правильном шестиугольнике \( \displaystyle AD\bot CE\). Применяем теорему о трёх перпендикулярах:

\( \displaystyle AD\bot CE\Rightarrow AS\bot CE\)

И пишем ответ: \( \displaystyle 90{}^\circ \).

Перпендикулярность двух прямых

Две прямые в пространстве перпендикулярны, если угол между ними \( 90{}^\circ \).

Перпендикулярность прямой и плоскости

Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна всем прямым в этой плоскости.

Перпендикулярность плоскостей

Плоскости перпендикулярны, если двугранный угол между ними равен \( 90{}^\circ \).

Критерий перпендикулярности плоскостей

Две плоскости перпендикулярны тогда и только тогда, когда одна из них проходит через перпендикуляр к другой плоскости.

Теорема о трех перпендикулярах

Прямая \( a\), не лежащая в плоскости \( \alpha \), перпендикулярна прямой \( b\), лежащей в плоскости \( \alpha \), тогда и только тогда, когда проекция \( a\prime \) прямой a перпендикулярна прямой \( b\).

P.S. Последний бесценный совет 🙂

Ну вот, тема закончена. Если ты читаешь эти строки, значит, ты очень крут.

Почему?

Потому что только 5% людей способны освоить что-то самостоятельно. И если ты дочитал до конца, ты попал в эти 5%!

Теперь самое главное.

Ты разобрался с теорией по этой теме. И, повторюсь, это… это просто супер! Ты уже лучше, чем абсолютное большинство твоих сверстников.

Проблема в том, что этого может не хватить…

Для чего?

Для успешной сдачи ОГЭ или ЕГЭ, для поступления в 10 класс или в институт на бюджет и, самое главное, для жизни.

Я не буду тебя ни в чем убеждать, просто скажу одну вещь…

Люди, получившие хорошее образование, зарабатывают намного больше, чем те, кто его не получил. Это статистика.

Но и это не главное.

Главное то, что они более счастливы (есть такие исследования). Возможно, потому, что перед ними открывается гораздо больше возможностей и жизнь становится ярче? Не знаю…

Но думай сам…

Что нужно, чтобы быть наверняка лучше других на ОГЭ или ЕГЭ и быть в конечном итоге… более счастливым?

Набить руку, решая задачи.

На экзамене у тебя не будут спрашивать теорию.

Тебе нужно будет решать задачи на время. И, если ты не решал их (много!), ты обязательно где-нибудь глупо ошибешься или просто не успеешь. Это как в спорте: нужно много раз повторить, чтобы выиграть наверняка.

Найди где хочешь сборник, обязательно с решениями, подробным разбором и решай, решай, решай!

Можешь воспользоваться нашим сборником задач с подробным разбором, и мы их всячески рекомендуем, потому что они разбиты по темам, по типам и даже собраны в целую программу подготовки.

Если решишь набить руку с помощью наших задач, зайди на сайт 100gia и приобрети одну из программ.

А еще можешь зарегистрироваться и получить доступ к огромному количеству бесплатных материалов, видеоуроков, тестов.

После регистрации ты сможешь:

  • проверить свою готовность к каждому типу задач на ЕГЭ (пройдя тест);
  • подтянуть слабые места с помощью видеоуроков, вебинаров;
  • понять тему с помощью статей учебника YouClever;
  • набить руку, решая задачи и получая проверку и решения;
  • сдать пробный ЕГЭ и получить сразу оценку и разбор ошибок.

Бонус: информатика и физика.

И в заключение…

Если наши задачи тебе не нравятся, найди другие. Только не останавливайся на теории.

“Понял” и “Умею решать” – это совершенно разные навыки. Тебе нужны оба.

Найди задачи и решай!

Ну, рассказывай! 🙂

Мы будем очень рады услышать твое мнение об этой статье. Ведь эта тема сложная, хоть и короткая. И ты большой молодец.

Расскажи нам в комментариях ниже, помогла ли она тебе. Разобрался ли ты с теоремой о трех перпендикулярах?

Ты можешь задать нам любой вопрос. И мы обязательно ответим на него!

Успехов!

{"email":"Email address invalid","url":"Website address invalid","required":"Required field missing"}
>