Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип Д10 C2 № 505931
i

Диа­го­наль A_1C куба ABCDA_1B_1C_1D_1 слу­жит реб­ром дву­гран­но­го угла, грани ко­то­ро­го про­хо­дят через вер­ши­ны B и D. Най­ди­те ве­ли­чи­ну этого угла.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

1)  Ко­ор­ди­нат­но-век­тор­ный под­ход к ре­ше­нию за­да­чи.

Нам тре­бу­ет­ся найти ве­ли­чи­ну кон­крет­но­го дву­гран­но­го угла, а имен­но того дву­гран­но­го угла, ко­то­рый об­ра­зу­ет­ся при пе­ре­се­че­нии двух плос­ко­стей:  левая круг­лая скоб­ка A_1CD пра­вая круг­лая скоб­ка и  левая круг­лая скоб­ка A_1CB пра­вая круг­лая скоб­ка . При пе­ре­се­че­нии двух плос­ко­стей об­ра­зу­ет­ся че­ты­ре дву­гран­но­го угла, по сути две пары рав­ных между собой дву­гран­ных углов.

Угол между двумя плос­ко­стя­ми, а в нашем слу­чае это  — угол между плос­ко­стя­ми  левая круг­лая скоб­ка A_1CD пра­вая круг­лая скоб­ка и  левая круг­лая скоб­ка A_1CB пра­вая круг­лая скоб­ка , будет вы­чис­лен как угол между нор­маль­ны­ми век­то­ра­ми этих плос­ко­стей \overlinen_1 и \overlinen_2. Обо­зна­чим его \varphi . А угол между двумя век­то­ра­ми за­ве­до­мо не боль­ше чем 90 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \circ пра­вая круг­лая скоб­ка .

По­сколь­ку при пе­ре­се­че­нии двух плос­ко­стей, об­ра­зу­ет­ся, как ска­за­но выше, две пары рав­ных между собой дву­гран­ных углов, нам нужно будет вы­брать, ко­то­рый угол будет ис­ко­мым: угол \varphi или 180 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \circ пра­вая круг­лая скоб­ка минус \varphi .

Имен­но по­это­му при вы­чис­ле­нии угла между двумя плос­ко­стя­ми ис­поль­зу­ют фор­му­лу:

 ко­си­нус \varphi =\pm дробь: чис­ли­тель: a_1, зна­ме­на­тель: a_2 конец дроби плюс b_1b_2 плюс c_1c_2 ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: a конец ар­гу­мен­та _1 в квад­ра­те плюс b_1 в квад­ра­те плюс c_1 в квад­ра­те умно­жить на ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: a конец ар­гу­мен­та _2 в квад­ра­те плюс b_2 в квад­ра­те плюс c_2 в квад­ра­те ,

 

Где a_1,b_1,c_1 и a_2b_2c_2  — со­от­вет­ству­ю­щие ко­ор­ди­на­ты нор­маль­ных век­то­ров плос­ко­стей.

Ко­си­нус угла между нор­маль­ны­ми век­то­ра­ми плос­ко­стей  левая круг­лая скоб­ка A_1CD пра­вая круг­лая скоб­ка и  левая круг­лая скоб­ка A_1CB пра­вая круг­лая скоб­ка в нашем слу­чае по­лу­чит­ся по­ло­жи­тель­ным. Од­на­ко с уче­том кон­крет­ной си­ту­а­ции мы будем долж­ны взять этот ко­си­нус с от­ри­ца­тель­ным зна­ком, по­сколь­ку ис­ко­мый угол тупой.

Вве­дем де­кар­то­ву си­сте­му ко­ор­ди­нат как по­ка­за­но на рис. Ребро куба при­мем за 1.

Будем ис­кать урав­не­ния плос­ко­стей  левая круг­лая скоб­ка A_1CD пра­вая круг­лая скоб­ка и  левая круг­лая скоб­ка A_1CB пра­вая круг­лая скоб­ка .

Ко­ор­ди­на­ты нуж­ных точек будут сле­ду­ю­щи­ми:

А левая круг­лая скоб­ка 0;0;0 пра­вая круг­лая скоб­ка , A_1 левая круг­лая скоб­ка 0;0;1 пра­вая круг­лая скоб­ка , C левая круг­лая скоб­ка 1;1;0 пра­вая круг­лая скоб­ка , D левая круг­лая скоб­ка 1;0;0 пра­вая круг­лая скоб­ка , B левая круг­лая скоб­ка 0;1;0 пра­вая круг­лая скоб­ка .

Най­дем урав­не­ние плос­ко­сти  левая круг­лая скоб­ка A_1CD пра­вая круг­лая скоб­ка .

 си­сте­ма вы­ра­же­ний  новая стро­ка c плюс d=0 , новая стро­ка a плюс b плюс d=0 , новая стро­ка a плюс d=0 . конец си­сте­мы .

c= минус d, a= минус d

a плюс b плюс d=0; минус d плюс b плюс d=0; b=0.

 

Итак, ис­ко­мое урав­не­ние имеет вид:  минус dx минус dz плюс d=0 или x плюс z минус 1=0. Ко­ор­ди­на­ты нор­маль­но­го век­то­ра этой плос­ко­сти: \overlinen_1= левая круг­лая скоб­ка 1;0;1 пра­вая круг­лая скоб­ка .

Най­дем урав­не­ние плос­ко­сти  левая круг­лая скоб­ка A_1CB пра­вая круг­лая скоб­ка .

 си­сте­ма вы­ра­же­ний  новая стро­ка c плюс d=0 , новая стро­ка a плюс b плюс d=0 , новая стро­ка b плюс d=0 конец си­сте­мы .

c= минус d, b= минус d

a плюс b плюс d=0; a минус d плюс d=0; a=0.

 

Ис­ко­мое урав­не­ние имеет вид:  минус dy минус dz плюс d=0 или y плюс z минус 1=0. Ко­ор­ди­на­ты нор­маль­но­го век­то­ра этой плос­ко­сти: \overlinen_2= левая круг­лая скоб­ка 0;1;1 пра­вая круг­лая скоб­ка .

 ко­си­нус \varphi =\pm дробь: чис­ли­тель: 1 умно­жить на 0 плюс 0 умно­жить на 1 плюс 1 умно­жить на 1, зна­ме­на­тель: ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 1 плюс 0 плюс 1 конец ар­гу­мен­та умно­жить на ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 0 плюс 1 плюс 1 конец ар­гу­мен­та конец дроби =\pm дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби .

Так как ис­ко­мый угол за­ве­до­мо тупой, то  ко­си­нус \varphi = минус дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби , \varphi =120 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \circ пра­вая круг­лая скоб­ка .

 

2)  Эле­мен­тар­но-гео­мет­ри­че­ский под­ход к ре­ше­нию. Про­ве­дем от­рез­ки A_1C, DA_1, BA_1, BD. Пусть \angle DKB  — ли­ней­ный угол упо­мя­ну­то­го дву­гран­но­го угла, K при­над­ле­жит A_1C. И пусть ребро куба равно 1. Тогда DA_1=DB= ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та , A_1C= ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та ,

За­ме­тим, что \angle CDA_1=90 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \circ пра­вая круг­лая скоб­ка , по­сколь­ку CD\bot левая круг­лая скоб­ка D_1DA пра­вая круг­лая скоб­ка .

Рас­смот­рим \Delta CDA_1.

\Delta A_1DC, \Delta CKD по­доб­ны, так как они пря­мо­уголь­ные, \angle CDK=\angle A_1DC как углы, за­клю­чен­ные между вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ны­ми пря­мы­ми. Сле­до­ва­тель­но,  дробь: чис­ли­тель: A_1C, зна­ме­на­тель: A_1D конец дроби = дробь: чис­ли­тель: CD, зна­ме­на­тель: KD конец дроби , дробь: чис­ли­тель: ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та , зна­ме­на­тель: ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та конец дроби = дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: KD конец дроби , KD= ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби конец ар­гу­мен­та . Ана­ло­гич­но KB= ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби конец ар­гу­мен­та .

В \Delta DKB по тео­ре­ме ко­си­ну­сов имеем: BD в квад­ра­те =KD в квад­ра­те плюс KB в квад­ра­те минус 2 умно­жить на KD умно­жить на KB умно­жить на ко­си­нус \angle DKB.

 ко­си­нус \angle DKB= дробь: чис­ли­тель: KD в квад­ра­те плюс KB в квад­ра­те минус BD в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 умно­жить на KD умно­жить на KB конец дроби = дробь: чис­ли­тель: дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби плюс дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби минус 2, зна­ме­на­тель: 2 умно­жить на ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби конец ар­гу­мен­та умно­жить на ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби конец ар­гу­мен­та конец дроби = дробь: чис­ли­тель: дробь: чис­ли­тель: 4, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби минус 2, зна­ме­на­тель: 2 умно­жить на дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби конец дроби = минус дробь: чис­ли­тель: 2 умно­жить на 3, зна­ме­на­тель: 3 умно­жить на 4 конец дроби = минус дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби .

\angle DKB=120 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \circ пра­вая круг­лая скоб­ка .

 

Ответ: 120 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \circ пра­вая круг­лая скоб­ка }.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии оце­ни­ва­ния вы­пол­не­ния за­да­нияБаллы
Обос­но­ван­но по­лу­чен вер­ный ответ.2
Ре­ше­ние со­дер­жит обос­но­ван­ный пе­ре­ход к пла­ни­мет­ри­че­ской за­да­че, но по­лу­чен не­вер­ный ответ или ре­ше­ние не за­кон­че­но

ИЛИ

при пра­виль­ном от­ве­те ре­ше­ние не­до­ста­точ­но обос­но­ва­но.

1
Ре­ше­ние не со­от­вет­ству­ет ни од­но­му из кри­те­ри­ев, пе­ре­чис­лен­ных выше.0
Источник: А. Ларин: Тре­ни­ро­воч­ный ва­ри­ант № 15
Методы геометрии: Метод ко­ор­ди­нат
Классификатор стереометрии: Куб, Угол между плос­ко­стя­ми