В основании правильной треугольной призмы \(ABCA_1B_1C_1 \) лежит треугольник АВС. На прямой \(AA_1\) отмечена точка D так, что точка \(A_1\) – середина отрезка AD. На прямой \(B_1C_1\) отмечена точка Е
так, что \(C_1\) – середина отрезка \(B_1E.\)
А) Докажите, что прямые \(A_1B_1\) и DE перпендикулярны.
Б) Найдите расстояние между прямыми АВ и DE, если АВ = 3, \(AA_1=1.\)
Решение:
а) Докажем, что \(A_1 B_1 \perp DE.\)
Пусть \(F \in \left ( A_1 B_1 \right );\)
\(A_1\) – середина отрезка \(\left [ B_1F \right ] . \) Тогда \(A_1C_1\) – средняя линия треугольника \(FEB_1;\)
\(\triangle FEB_1 \sim \triangle A_1C_1B_1, \;\triangle FEB_1\) – правильный, \(EA_1\) – его медиана и высота, \(EA_1 \perp FB_1.\)
Так как \(DA_1\perp \left ( A_1B_1C_1 \right ),\;A_1\) – проекция D на \((A_1B_1C_1),\;A_1E\) – проекция \(DE\) на плоскость \(A_1B_1C_1,\;A_1E \perp A_1B_1 \Rightarrow DE \perp A_1B_1\) по теореме о трех перпендикулярах.
б) Найдем расстояние между \(AB\) и \(DE,\) если \(AB=3, \; AA_1 =1.\) Пусть \(K \in (BC), \; C\) – середина \([BK].\)
Тогда \(AA_1EK\) – прямоугольник, \(AK \parallel A_1E \Rightarrow AK \perp A_1 B_1 \Rightarrow AK \perp AB .\) Также \(AA_1 \perp AB \Rightarrow (AA_1E) \perp AB\) по признаку перпендикулярности прямой и плоскости; в плоскости \((AA_1E)\) проведем \(AH \perp DE.\)
\(ADEK\) – трапеция, \(AD \parallel EK,\; EK =AA_1=1,\;AD=2EK=2,\;AK=2h,\) где \(h\) – высота правильного треугольника \(ABC,\)
\(\displaystyle h=\frac{AB\sqrt{3}}{2}=\frac{3\sqrt{3}}{2},\) тогда \(AK=3\sqrt{3}.\)
Проведем \(ET \perp AD;\)
\(ET \parallel AK,\; ET = AK=3\sqrt{3} .\)
\(\triangle ADH \sim \triangle EDT\) по двум углам, \(\displaystyle \frac{AH}{ET}=\frac{AD}{DE};\)
Из \(\triangle TDE,\) где \(ET = 3 \sqrt{3,}\) \(DT=1,\) получим:
\(DE = \sqrt{(3\sqrt{3})^2+1^2} = \sqrt{28} = 2 \sqrt{7}\)
\(\displaystyle AH=\frac{AD \cdot ET}{DE}= \frac{2\cdot 3 \sqrt{3}}{2\sqrt{7}}=\frac{3\sqrt{3}}{\sqrt{7}}=\frac{3\sqrt{21}}{7}\)
