План урока:

Перпендикулярность прямых

Перпендикулярность прямой и плоскости

Признак перпендикулярности прямой и плоскости

Задачи на перпендикулярность

Перпендикулярность прямых

Напомним, что планиметрии две прямые перпендикулярны, если угол между ними – прямой (то есть его величина составляет 90°).

Однако в стереометрии угол измеряется и между скрещивающимися двумя прямыми в пространстве, у которых общих точек нет. Если он составляет 90°, то прямые также именуются перпендикулярными.

Как же проверить, перпендикулярны ли скрещивающиеся прямые или нет? Для этого может быть использована специальная теорема, которую можно считать признаком перпендикулярности прямых.

Действительно, пусть есть прямые m, n и p, причем р||n и m⊥n. Требуется показать, что также m⊥p. Для этого выберем в пространстве какую-нибудь точку К и проведем через нее две такие прямые m’ и n’, что m’||m и n’||n:

По определению угла между прямыми из того факта, что m⊥n, вытекает, что и m’⊥n’. Так как p||n и n||n’, то в силу транзитивности параллельности, можно сделать вывод, что и р||n’. Но тогда угол между m’ и n’ одновременно является углом между m и p. А разm’⊥n’, то и m⊥p, ч. т. д.

Проиллюстрируем это правило на примере простого кубика:

Ребра ВС и AD параллельны как стороны квадрата АВСD. В свою очередь ВС⊥СG. Тогда по доказанной теореме можно утверждать, что и AD⊥CG.

Перпендикулярность прямой и плоскости

Из реальной жизни мы знаем, что палку в землю можно вставить так, что она будет стоять строго вертикально. В таких случаях говорят, что палка располагается перпендикулярно земле. Также гвоздь, «ровно» забитый в стену, оказывается перпендикулярным стене. Колонны, которые архитекторы используют при строительстве, также перпендикулярны плоскости пола в этих зданиях.

По аналогии и в геометрии прямая может быть перпендикулярна плоскости. На рисунке такая ситуация будет выглядеть так:

Сформулируем строгое определение:

Так, на следующем рисунке перпендикулярны прямая m и плоскость α. Это значит, что m перпендикулярна каждой прямым, находящимся в α:

Ясно, что прямая m, перпендикулярная плоскости α, должна пересекать ее. Действительно, если бы это было не так, то m либо полностью лежала бы в α, либо была бы ей параллельна. В обоих случаях в α можно было бы построить прямую n, параллельную m. В этом случае m и n уже не были бы перпендикулярны, а значит, что m уже не будет перпендикулярна к α.

Сформулируем две теоремы, связанные с перпендикулярностью прямой и плоскости.

Действительно, пусть есть прямые m и n, и m||n. Также есть плоскость α, и α⊥m. Проведем в α какую-нибудь прямую р:

По определению перпендикулярности (опр. 2) ясно, что m⊥p. Тогда по теор. 1 и n⊥p, ведь m||n. Прямая р была выбрана произвольно, поэтому получается, что n перпендикулярно любой произвольной прямой в α. Это как раз и значит, что n⊥α.

Теперь перейдем ко второй теореме, которая по сути обратна первой:

Для доказательства выберем на n точку К, не находящуюся в плоскости α. Через нее можно построить прямую р, параллельную m. Нам надо показать, что р и n – это одна и та же прямая. Пусть это не так, тогда р будет перпендикулярна α по теор. 2. Если n и р – различные прямые, то они должны пересекать α в разных точках, которые мы обозначим буквами Н и Т соответственно:

Прямая ТН будет перпендикулярна и n, и р. Тогда в ∆ТНК есть два прямых угла, ∠Н и∠Т, что невозможно. Значит, на самом деле прямые n и p совпадают. Так как p||m, то и n||m, ч. т. д.

Признак перпендикулярности прямой и плоскости

Заметим,что проверять перпендикулярность прямой и плоскости с помощью определения неудобно, ведь в любой плоскости находится бесконечно большое количество прямых. Поэтому на практике используется более простой признак перпендикулярности прямой и плоскости:

Доказательство. Пусть есть прямые m, n и р, причем m⊥n и m⊥p. При этом n и р пересекаются в какой-нибудь точке О, и через них проходит плоскость α.Надо продемонстрировать, что m также будет перпендикулярна и любой произвольной прямой k, принадлежащей α:

Если k||nили k||р, то k⊥m по теор. 1. Тогда надо рассмотреть случай, когда k пересекается с n и р. Проведем через О прямую k’, параллельную k.

Далее на прямой m отложим точки А и В так, чтобы ОА = АВ. Также проведем прямую s, пересекающую р, n, k’ в точках Р, L и Q соответственно:

В результате такого построения прямые n и р оказались серединными перпендикулярами для отрезка АВ. Тогда по свойству серединного перпендикуляра мы можем прийти к выводу, что

Теперь мы можем сравнить ∆АРQ и ∆BPQ, которые также оказываются равными:

Отсюда вытекает, что отрезки АQ и BQ одинаковы, поэтому ∆АВQ – равнобедренный. Теперь заметим, что в ∆АВQ отрезок OQ представляет собой медиану, ведь О – середина АВ. Но медиана в равнобедренном треугольнике – это ещё и высота, поэтому АВ⊥OQ. Это как раз и значит, что k’⊥m. Наконец, отсюда по теор. 1 выходит, что и k⊥m, ч. т. д.

Надо также рассмотреть и второй случай, когда изначально m НЕ проходит через О. В таком случае мы можем провести через О прямую m’, чтобы m’||m:

В этом случае по аналогии с предыдущим доказательством получаем, что m’⊥k. Тогда по теор. 1 и m⊥k, ч. т. д.

Покажем, как можно применить доказанный признак. Снова рассмотрим куб:

Докажем, что, например, ребро DH перпендикулярно грани АВСD. Действительно,DH⊥AD и DH⊥CD. Значит, в плоскости АВСD есть две пересекающиеся прямые (это AD и CD), каждая из которых перпендикулярна DH. По доказанному признаку (теор. 4) этого достаточно для того, чтобы DH⊥ABCD. Аналогично можно показать, что ребра BF, AE, СG также перпендикулярны АВСD.

Докажем ещё несколько важных и вместе с тем очевидных теорем.

Действительно, пусть есть прямая m и точка K. Здесь мы рассмотрим случай, когда K не находится на m. Тогда через m и K можно построить единственную плоскость α:

Дальше выполним следующие построения:

1) Проведем в плоскости α через К прямую n, такую, что n⊥m. Она пересечет m в какой-то точке Т.

2) Построим через m плоскость β, не совпадающую с α. То есть m окажется границей между α и β.

3) Через точку Т уже в плоскости β построим прямую р так, чтобы р⊥m.

4) Построим плоскость γ, проходящую пересекающиеся прямые р и n (эта плоскость будет единственной).

В итоге мы получили плоскость γ, в которой располагаются две прямые, р и n, каждая из которых перпендикулярна m. Тогда и вся плоскость γ будет перпендикулярна прямой m по теор. 4. То есть γ удовлетворяет условию теоремы.

В случае, когда точка К находится непосредственно на прямой m, плоскости α и β будут просто двумя различными плоскостями, проходящими через m. В каждой из них через К можно будет построить перпендикуляры к m, которые и будут играть роль прямых pи n.

Осталось убедиться, что γ – единственная плоскость, удовлетворяющая условию теоремы. В самом деле, пусть через некоторую точку К можно построить хотя бы две несовпадающие плоскости, перпендикулярные прямой m:

Обозначим буквами Т и Р точки, где m пересекает эти две плоскости. Тогда по опр. 2 получится, что РК⊥m и KT⊥m. Теперь рассмотрим ∆KPT. У него сразу два прямых угла – это ∠Р и ∠Т. Треугольник с двумя прямыми углами существовать не может, значит, на самом деле через K нельзя провести две плоскости, перпендикулярных m.

Прямым следствием из только что доказанной теоремы является следующее утверждение:

Действительно, пусть существуют такие плоскости α и β и прямая m, что m⊥α, m⊥β. Предположим, что α и β пересекаются по какой-нибудь прямой n. Тогда получается, что через каждую точку, принадлежащую n, проведены сразу 2 плоскости, перпендикулярные m, а это невозможно по теор. 5. Значит, α и β не пересекаются, то есть они параллельны.

Следующее утверждение часто называют теоремой о прямой, перпендикулярной плоскости:

Возьмем произвольные плоскость α и точку К. Далее в α выберем какую-нибудь прямую m. Мы можем провести через К такую плоскость β, что β⊥m (по теор. 5):

Прямую, по которой пересекутся α и β, обозначим буквой n. Теперь мы можем в плоскости β опустить перпендикуляр из К на n. Этот перпендикуляр обозначим буквой р.

Получается, что р⊥n,но также и р⊥m (ведь m⊥β, а р находится в β). Тогда по признаку перпендикулярности (теор. 4) получаем, что р⊥α, то есть р – это как раз искомая прямая.

Осталось показать, что р – единственная такая прямая. Действительно, пусть через К построили две прямых, каждая из которых перпендикулярна α. Тогда, по теореме 3, они окажутся параллельными. Но при этом у них будет общая точка K, а параллельные прямые общих точек не имеют. Поэтому р – единственная прямая, удовлетворяющая условию теоремы.

Задачи на перпендикулярность

Прежде, чем смотреть решение задач, постарайтесь решить их самостоятельно.

Задание. Ребра ВС и AD в тетраэдре АВСD перпендикулярны. M и N – это середины ребер АВ и АС. Докажите, что MN⊥AD.

Решение.MN по определению оказывается средней линией в ∆АВС. Это значит, что MN||ВС. Тогда, по теор. 1, можно утверждать, что и АD⊥MN, ч. т. д.

Задание. Диагонали квадрата, чья сторона имеет длина а, пересекаются в точке О. Через О проведена прямая ОК, перпендикулярная плоскости квадрата, причем отрезок ОК имеет длину b. Найдите расстояние от какой-нибудь вершины квадрата до точки К.

Решение.

Обозначим вершины квадрата буквами А, В, С и D. Найдем длину его диагонали, например, АС. Для этого используем теорему Пифагору и прямоугольный ∆АСD:

Точка пересечения диагоналей квадрата одновременно является серединой каждой диагонали, то есть отрезок ОС вдвое короче АС:

Теперь заметим, что если ОК перпендикулярна плоскости квадрата, то также ОК⊥ОС (опр. 2). Значит, ∆КОС – прямоугольный, и для него справедлива теорема Пифагора:

Аналогично можно показать, что расстояние и до других вершин вычисляется по такой же формуле.

Задание. В кубе найдите угол между прямыми АС и DH:

Решение. Заметим, что DH⊥АD и DH⊥CD, при этом AD и CD находятся в плоскости грани АВСD. Тогда по теор. 4 получаем, что DH перпендикулярна этой грани. В свою очередь из опр. 2 вытекает, что DH перпендикулярна любой прямой, принадлежащей грани, в том числе и АС. То есть угол между этими прямыми составляет 90°.

Ответ: 90°.

Задание. Ребро куба имеет длину, равную единице. Какова длина его диагонали FD?

Решение. Предварительно найдем длину диагонали FC (эта диагональ называется не диагональю куба, а диагональю грани ВСGF). Ее можно найти из прямоугольного ∆FCG:

Далее заметим, что СD⊥BC и CD⊥CG, то есть по теор. 4 ребро CD перпендикулярно всей грани BCGF. Это значит, что и ∠FCD– прямой, а ∆FCD – прямоугольный. Применим и к нему теорему Пифагора:

Задание. Какой угол в кубе с единичным ребром образуют диагональ куба и его ребро?

Решение. Используем рисунок предыдущей задачи и полученные в ней результаты. Нам надо найти ∠FDC. Мы уже рассчитали длины всех сторон в ∆FDC:

Тогда ∠FDC легко найти с помощью теоремы косинусов:

Примечание. Несложно показать, что ровно такой же угол диагональ куба образует и со всеми остальными ребрами куба. Также можно показать, что это угол никак не зависит от длины ребра.

Задание. Отрезок PQ и плоскость α параллельны. Через точку P и Q построены прямые, перпендикулярные α. Они пересекают α в точках Р₁ и Q₁. Докажите, что отрезки PQ и P₁Q₁ одинаковы.

Решение. По условию РР₁⊥α и QQ₁⊥α. Тогда по теор. 3 можно утверждать, что РР₁||QQ₁. Это значит, что отрезки РР₁ и QQ₁, в том числе и точки Р, Р₁, Q, Q₁ располагаются в одной плоскости. Тогда РQQ₁P₁– это плоский четырехугольник.

Заметим, что PQ||P₁Q₁, ведь если бы они пересекались, то точка их пересечения была бы общей для PQ и α, и тогда PQ и α не были бы параллельны. С учетом того факта, что и РР₁||QQ₁, получаем, что в четырехугольнике РQQ₁P₁ противоположные стороны параллельны. То есть он представляет собой параллелограмм.

Так как РР₁⊥α и QQ₁⊥α, то

Получается, что все углы в РQQ₁P₁ – прямые, то есть это прямоугольник. Из этого вытекает, что PQиP₁Q₁ – одинаковые отрезки, ч. т. д. Попутно мы также убедились, что также РР₁ и QQ₁ одинаковы.

Задание. Есть плоскости α и β, параллельные друг другу. Прямая m перпендикулярна α. Верно ли, что также m перпендикулярна и β?

Решение.

Пусть α и m пересекаются в точке Р. Заметим, что m обязательно должна пересекаться и с β в какой-нибудь точке М. Действительно, m не может полностью принадлежать β, ведь тогда бы точка Р также находилась в β, то есть существовала бы общая точка Р у параллельных плоскостей, что невозможно. Если бы m и β были параллельны, то тогда в β можно провести такую прямую m’, что m’||m. Раз m пересекает α, то и m’ должна пересекаться с α (по теор. 3 из этого урока). Но m’ с α не может пересечься, так как m’ находится в β и потому общих точек с α не имеет. Это противоречие показывает, что m пересекает β в точке, обозначенной нами как М.

Предположим, что утверждение в условии ошибочно и на самом деле β и m не перпендикулярны. Тогда через М можно провести третью плоскость γ, перпендикулярную m (по теор. 5). Проанализируем расположение плоскостей α, β и γ. Раз α⊥m и γ⊥m, то по теор. 6 можно утверждать, что α||γ. По условию α||β. Тогда в силу транзитивности параллельности и β||γ. Но это невозможно, ведь уβ и γ есть общая точка М. Значит, на самом деле β и m всё же перпендикулярны, ч. т. д.

Задание. Прямые AD, АС, АВ попарно параллельны. Известно, что

BC = 26

AB = 24

BD = 25

Найдите длину отрезка CD.

Решение. В задаче есть сразу три прямоугольных треугольника: ∆АВС, ∆АВD и ∆АСD. Для каждого из них можно записать теорему Пифагора, что позволит найти длины отрезков АС, АD и СD. Начнем с ∆АВС:

Теперь можно найти и длину CD c помощью ∆АСD:

Задание. На прямой m отмечена точка М. Через точку M проведены плоскость α и прямая n, причем m⊥α и m⊥n. Докажите, что n обязательно принадлежит α.

Решение. Так как m и n пересекаются, то через них можно построить плоскость β:

Так как у α и β есть общая точка М, то они должны пересекаться по некоторой прямой р. При этом р находится в α, а m⊥α, то m⊥n (по опр. 2). Тогда получается, что в плоскости β через точку M проходят две прямые, n и p, которые перпендикулярны m. Но в одной плоскости через точку прямой можно построить строго один перпендикуляр к ней. То есть n и p совпадают. Это значит, что n, как и p, полностью находится в α, ч. т. д.

Задание. Отрезок АВ не пересекает плоскость α, а отрезок СD принадлежит α. Известно, что отрезки АС и BD перпендикулярны α. Также известны длины:

AC = 3

BD = 2

CD = 2,4

Какова длина АВ?

Решение.

Если АС⊥α и BD⊥α, то АС||BD (по теор. 3). Это значит, что через АВ и СD можно провести плоскость, то есть АВСD – плоский четырехугольник. При этом∠С и ∠D прямые (по опр. 2). Построим отдельно этот четырехугольник и проведем некоторые построения:

Опустим из В перпендикуляр ВК на АС. Так как в четырехугольнике СDBK три угла прямые (∠С, ∠D и ∠K), то и четвертый угол также прямой, то есть СDBK – прямоугольник. Это значит, что

В ходе сегодняшнего урока мы узнали о перпендикулярных прямых в пространстве, а также о том, что перпендикулярны могут быть также прямая и плоскость. На основе простейших теорем о перпендикулярности возможно определять длину диагонали в кубе и углы, которые образует его диагональ с ребрами куба.