В задачах по стереометрии на ДВИ часто попадаются громоздкие конструкции: сечения под нестандартными углами, скрещивающиеся прямые в усечённых пирамидах или сложные отношения отрезков. Классический геометрический путь (через дополнительные построения и теорему косинусов) может занять страницы вычислений.
Векторно-координатный метод позволяет свести сложную геометрию к понятной алгебре. Если в задаче дан куб, прямоугольный параллелепипед, правильная призма или фигура с большим количеством прямых углов — смело вводи систему координат.
Тема называется широко — «Расстояния, углы, координаты и векторы». Поэтому конспект закрывает весь арсенал: координатный и базисный методы в пространстве, все три типа углов (между прямыми, прямой и плоскостью, между плоскостями), все типы расстояний (до плоскости, между скрещивающимися прямыми), векторное и смешанное произведение, а в конце — координаты и векторы на плоскости (планиметрия). На ДВИ лист формул не выдают, поэтому ключевые формулы здесь не только записаны, но и снабжены кратким выводом или мнемоническим якорем.
Векторы в координатах: длина, скалярное произведение, угол
Для работы в координатах тебе нужно уметь находить длины, скалярные произведения и уравнения плоскостей. Пусть даны векторы a={x1,y1,z1} и b={x2,y2,z2}.
Запомни оба определения сразу: координатное нужно в декартовом методе, а геометрическое (a,b)=∣a∣∣b∣cosφ — фундамент базисного метода (его разбираем ниже). Признак перпендикулярности: a⊥b⟺(a,b)=0.
Угол φ между векторами a и b вычисляется напрямую из определения скалярного произведения (поделив геометрическую форму на ∣a∣∣b∣):
Координаты середины и точки деления отрезка
Эта формула молча используется всюду (середина ребра, центр грани), поэтому выпишем её явно — на ДВИ молчаливое применение без ссылки рубрика прощает, но лучше назвать.
Плоскости, нормаль и расстояние до плоскости
Вторая мощная часть метода — работа с плоскостями. Любая плоскость задаётся уравнением Ax+By+Cz+D=0. Вектор n={A,B,C} является нормалью к этой плоскости — он перпендикулярен любому вектору, лежащему в ней.
Откуда формула (мнемоника). Возьми любую точку P на плоскости. Тогда d — это модуль проекции вектора PM0 на единичную нормаль: d=∣n∣∣(PM0,n)∣. Раскрыв скалярное произведение и воспользовавшись тем, что APx+BPy+CPz=−D (точка P лежит на плоскости), получаешь числитель ∣Ax0+By0+Cz0+D∣. Числитель обязательно под модулем — расстояние неотрицательно (типичная ошибка — потерять модуль и получить отрицательное d).
Векторное и смешанное произведение
Чтобы не искать нормаль медленной системой из трёх уравнений, заведи в арсенал векторное произведение — оно даёт нормаль к плоскости за один шаг, а заодно площади и объёмы. Подробные формулы — в справочнике, раздел 9 «Векторы, координаты, произведения»; здесь приведём рабочую форму.
Три типа углов и два типа расстояний (сводка)
Эта таблица — стержень темы. Заметь критическую разницу: для угла прямая–плоскость используется синус, для остальных — косинус.
Алгоритм решения в координатах
Примеры решений
Пример 1. Угол между скрещивающимися прямыми (декартовы координаты)
Условие. Дан куб ABCDA1B1C1D1. Точка M — середина ребра A1B1, точка N — центр грани BCC1B1. Найдите косинус угла между прямыми AM и DN.
Вводим систему координат
Пусть ребро куба равно 2 (выбор длины ребра не влияет на углы, но число 2 позволит избежать дробей).
Введём прямоугольную систему координат с началом в вершине D(0,0,0). Рёбра DA, DC, DD1 попарно перпендикулярны (грани куба прямоугольны), поэтому оси направим так: Ox вдоль луча DA, Oy вдоль DC, Oz вдоль DD1.
Находим координаты точек
Выпишем координаты нужных точек:
A(2,0,0), D(0,0,0).
M — середина A1(2,0,2) и B1(2,2,2), по формуле середины M(22+2,20+2,22+2)=(2,1,2).
N — центр грани BCC1B1. Центр грани прямоугольника совпадает с точкой пересечения его диагоналей, то есть с серединой диагонали BC1. Координаты B(2,2,0) и C1(0,2,2), поэтому N(22+0,22+2,20+2)=(1,2,1).
Составляем направляющие векторы и их длины
Найдём направляющие векторы прямых (вычитаем из конца начало):
AM={2−2,1−0,2−0}={0,1,2}.
DN={1−0,2−0,1−0}={1,2,1}.
Так как ищется угол между прямыми, берём модуль скалярного произведения:
cosφ=∣AM∣⋅∣DN∣∣(AM,DN)∣=5⋅64=304=15230.
Пример 2. Расстояние от точки до плоскости (два способа найти нормаль)
Условие. В прямоугольном параллелепипеде ABCDA1B1C1D1 рёбра AB=2, AD=2, AA1=4. Найдите расстояние от вершины A1 до плоскости BDC1.
Вводим систему координат и находим точки
Введём систему координат с началом в точке D(0,0,0), оси Ox↑↑DA, Oy↑↑DC, Oz↑↑DD1 (рёбра попарно перпендикулярны). Координаты нужных точек:
A1(2,0,4) — точка, от которой ищем расстояние.
B(2,2,0), D(0,0,0), C1(0,2,4).
Точки B,D,C1 не лежат на одной прямой (векторы DB={2,2,0} и DC1={0,2,4} неколлинеарны), поэтому плоскость BDC1 определена однозначно.
Находим нормаль: способ 1 (система уравнений)
Способ 1 (система уравнений). Ищем уравнение плоскости Ax+By+Cz+D=0, подставляя три её точки:
Точка D(0,0,0)⟹D=0. Уравнение принимает вид Ax+By+Cz=0.
Точка B(2,2,0)⟹2A+2B=0⟹A=−B.
Точка C1(0,2,4)⟹2B+4C=0⟹B=−2C.
Нормаль определена с точностью до множителя, поэтому фиксируем удобного представителя: пусть C=−1. Тогда B=2, A=−2. Нормаль n={−2,2,−1} — ненулевая. Уравнение плоскости BDC1: −2x+2y−z=0, или 2x−2y+z=0.
Находим нормаль: способ 2 (векторное произведение)
Способ 2 (векторное произведение — быстрее). Нормаль одним действием:
Это 4⋅{2,−2,1} — пропорционально нормали из Способа 1. Плоскость через D(0,0,0): 2x−2y+z=0. Способ 2 экономит время и почти не даёт ошибиться со знаками.
Считаем расстояние
Найдём расстояние d от точки A1(2,0,4) до плоскости 2x−2y+z=0:
d=22+(−2)2+12∣2⋅2−2⋅0+1⋅4∣=9∣4+4∣=38.
Пример 3. Двугранный угол / угол между плоскостями через нормали
Условие. В кубе ABCDA1B1C1D1 найдите двугранный угол между плоскостью сечения BDC1 и плоскостью основания ABCD.
Вводим систему координат
Введём систему координат с началом D(0,0,0), оси вдоль рёбер DA, DC, DD1; ребро куба примем равным 2. Нужные точки: B(2,2,0), D(0,0,0), C1(0,2,2).
Находим нормали к обеим плоскостям
Нормаль к секущей плоскостиBDC1 — векторным произведением:
Значит α=45∘. Проверка разумности: диагональ грани наклонена к основанию под 45∘ — действительно, она «поднимается» на высоту ребра 2 при горизонтальном смещении 2, то есть составляет равнобедренный прямоугольный треугольник. Сходится.
Пример 5. Расстояние между скрещивающимися прямыми (смешанное произведение)
Условие. В кубе ABCDA1B1C1D1 с ребром 2 найдите расстояние между скрещивающимися прямыми AC1 (диагональ куба) и BD (диагональ основания).
Числитель — модуль смешанного произведения (AB,u,v)=(AB,u×v):
(AB,u×v)=0⋅4+2⋅(−4)+0⋅8=−8,∣−8∣=8.
Считаем расстояние
Расстояние:
d=∣u×v∣∣(AB,u,v)∣=468=62=626=36.
Метод базисных векторов (без координат)
Если фигура «косая» (например, произвольный или правильный тетраэдр, наклонная призма), вводить прямоугольную декартову систему координат крайне неудобно. В таком случае задачу решают через базисные векторы.
Выбираются три некомпланарных вектора (обычно выходящие из одной вершины), их длины и попарные углы известны. Любой другой вектор фигуры выражается через эту тройку. Скалярное произведение раскрывается по линейности, а скалярные произведения базисных векторов считаются через геометрическое определение (a,b)=∣a∣∣b∣cosφ — поэтому важно не потерять ни одного члена при раскрытии и не считать базисные векторы перпендикулярными, если это не доказано.
Пример 6. Базисные векторы в тетраэдре
Условие. Дан тетраэдр ABCD, в котором AB=BC=CD=2, а AC=AD=BD=22. Найдите угол между скрещивающимися прямыми AB и CD.
Вводим базис
Вводить прямоугольные координаты здесь сложно. Воспользуемся базисным методом.
Пусть x=AB, y=AC, z=AD — базис (три некомпланарных вектора из вершины A).
Выразим вектор CD через базис: CD=AD−AC=z−y.
Выражаем косинус угла через базис
Нам нужен угол φ между прямыми AB и CD (модуль — угол острый):
(Здесь ∣CD∣=CD=2. Раскрыли скобку по линейности — оба члена сохранены.)
Находим скалярные произведения базисных векторов
Найдём скалярные произведения базисных векторов через геометрическое определение.
1)(x,y). Рассмотрим △ABC: AB=2, BC=2, AC=22.
Так как AB2+BC2=4+4=8=(22)2=AC2, по обратной теореме Пифагора ∠ABC=90∘, то есть BA⊥BC, значит (BA,BC)=0.
Выразим через базис: BA=−x, BC=AC−AB=y−x. Тогда
(−x,y−x)=0⟹−(x,y)+∣x∣2=0⟹(x,y)=∣x∣2=4.
2)(x,z). Рассмотрим △ABD: AB=2, AD=22, BD=22.
По теореме косинусов для стороны BD:
BD2=AB2+AD2−2AB⋅ADcos∠BAD,
8=4+8−2⋅2⋅22cos∠BAD⟹82cos∠BAD=4⟹cos∠BAD=221.
Тогда (x,z)=∣x∣⋅∣z∣cos∠BAD=2⋅22⋅221=2.
Подставляем и находим угол
Подставим в исходную формулу:
cosφ=4∣(x,z)−(x,y)∣=4∣2−4∣=42=21.
Следовательно, угол равен 60∘.
Координаты и векторы на плоскости (планиметрия)
Тема называется «координаты и векторы» широко, и метод координат отлично работает и в планиметрии: достаточно ввести оси так, чтобы прямые углы фигуры легли на них. Базовые формулы — двумерные аналоги пространственных (см. также справочник, раздел 8 «Координаты на плоскости»).
Пример 7. Угол между прямыми в квадрате (метод координат на плоскости)
Условие. В квадрате ABCD со стороной 1 точка M — середина стороны BC. Найдите косинус угла между прямыми AM и BD.
Вводим координаты
Введём координаты: A(0,0), ось Ox вдоль AB, ось Oy вдоль AD (стороны квадрата перпендикулярны). Тогда B(1,0), C(1,1), D(0,1), а M — середина BC: M(21+1,20+1)=(1,21).
ДВИ оценивают по outcomes-рубрике «±»: важен не только верный ответ, но и полнота обоснования. В координатно-векторных задачах баллы теряют не на арифметике, а на пропущенных «очевидных» переходах. Ниже — что считается полным решением.
Что запомнить
Много прямых углов (куб, призма, прямоугольный параллелепипед) — бери декартовы координаты. Косая фигура (тетраэдр, наклонная призма) — базис из трёх векторов.
Нормаль к плоскости ищи через n=AB×AC за один шаг; система Ax+By+Cz+D=0 — надёжная альтернатива (нормаль определена с точностью до множителя, потому коэффициент можно зафиксировать).