mateinfo.roANDREI OCTAVIAN DOBRE20 ani20ANI

Puncte, drepte, plane. Paralelism și perpendicularitate în spațiu – teorie, formule și exemple rezolvate

Evaluarea Națională – clasa a VIII-a · Geometrie. Primii pași în geometria în spațiu: cum se determină un plan, pozițiile relative ale dreptelor și planelor, paralelismul și perpendicularitatea, proiecțiile, teorema celor trei perpendiculare, distanțele și unghiurile din spațiu (dintre două drepte, dintre o dreaptă și un plan, unghiul diedru).

15.1Puncte, drepte, plane. Determinarea planului

Noțiuni fundamentale

Punctul, dreapta și planul sunt noțiuni primare (nu se definesc). Notăm punctele cu litere mari (\(A, B, C,\dots\)), dreptele cu litere mici (\(a, b, d,\dots\)) sau prin două puncte ale lor (\(AB\)), iar planele cu litere grecești (\(\alpha, \beta, \gamma,\dots\)) sau prin trei puncte necoliniare ale lor: \((ABC)\).

Punctele situate în același plan se numesc coplanare; în caz contrar sunt necoplanare.

Axiomele geometriei în spațiu

  • Prin două puncte distincte trece o dreaptă și numai una.
  • Prin trei puncte necoliniare trece un plan și numai unul.
  • Dacă două puncte distincte ale unei drepte aparțin unui plan, atunci dreapta este inclusă în acel plan.
  • Dacă două plane distincte au un punct comun, atunci ele au în comun o dreaptă (se intersectează după o dreaptă).
  • Există cel puțin patru puncte necoplanare.

Un plan este determinat de:

1) trei puncte necoliniare;2) o dreaptă și un punct care nu aparține dreptei;

3) două drepte paralele;4) două drepte concurente.

Trei puncte necoliniare

αABC

\(\alpha=(ABC)\)

O dreaptă și un punct exterior ei

αdA

\(A\notin d\Rightarrow\) \(d\) și \(A\) determină planul \(\alpha\)

Două drepte paralele

αab

\(a\parallel b\Rightarrow\) \(a\) și \(b\) determină planul \(\alpha\)

Două drepte concurente

αOab

\(a\cap b=\{O\}\Rightarrow\) \(a\) și \(b\) determină planul \(\alpha\)

Atenție

  • Prin trei puncte coliniare (sau prin două puncte) trec o infinitate de plane, deci ele nu determină un plan.
  • Patru puncte nu sunt neapărat coplanare: vârfurile unui tetraedru (piramidă triunghiulară) sunt patru puncte necoplanare.

Exemplul 15.1

Punctele \(A, B, C, D\) sunt necoplanare. Câte plane determină ele? Dar câte drepte?
Rezolvare

Oricare trei dintre ele sunt necoliniare (altfel toate patru ar fi coplanare), deci fiecare grup de trei puncte determină un plan: \((ABC), (ABD), (ACD), (BCD)\) – 4 plane (fețele tetraedrului \(ABCD\)).

Fiecare pereche de puncte determină o dreaptă: \(AB, AC, AD, BC, BD, CD\) – 6 drepte (muchiile tetraedrului).

Exemplul 15.2

Se consideră 5 puncte, oricare patru dintre ele fiind necoplanare. Câte plane determină aceste puncte?
Rezolvare

Fiecare grup de trei puncte determină un plan, iar două grupuri diferite dau plane diferite (altfel ar exista patru puncte coplanare). Numărăm grupurile de câte 3 puncte: primul punct se alege în 5 moduri, al doilea în 4, al treilea în 3, iar fiecare grup a fost numărat de \(3\cdot2\cdot1=6\) ori:

\[\dfrac{5\cdot4\cdot3}{6}=10\ \text{plane}.\]

↑ Cuprins

15.2Poziția a două drepte. Unghiul a două drepte

Pozițiile relative a două drepte în spațiu

  • drepte coplanare (există un plan care le conține): concurente (au un singur punct comun), paralele (nu au puncte comune) sau confundate;
  • drepte necoplanare: nu există niciun plan care să le conțină pe amândouă (nu au puncte comune și nu sunt paralele).

Concurente

αOab

\(a\cap b=\{O\}\)

Paralele

αab

\(a, b\subset\alpha\), \(a\cap b=\varnothing\Rightarrow a\parallel b\)

Necoplanare

αaPb

\(a\subset\alpha\), \(b\cap\alpha=\{P\}\), \(P\notin a\)

Axioma paralelelor (Euclid) și tranzitivitatea

Printr-un punct exterior unei drepte trece o singură paralelă la acea dreaptă.

Două drepte paralele cu a treia sunt paralele între ele: \(a\parallel c\) și \(b\parallel c\Rightarrow a\parallel b\).

Atenție

În spațiu, două drepte care nu au puncte comune nu sunt neapărat paralele: ele pot fi necoplanare. De exemplu, în cubul \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\), dreptele \(AB\) și \(CC^{\prime}\) nu se intersectează, dar nici nu sunt paralele.

Unghiul a două drepte

Definiție

Unghiul a două drepte necoplanare \(a\) și \(b\) este unghiul format de două drepte concurente \(a^{\prime}\parallel a\) și \(b^{\prime}\parallel b\) (duse printr-un punct oarecare). Se ia întotdeauna unghiul ascuțit sau drept, deci

\[0^\circ\lt m(\sphericalangle(a,b))\le90^\circ.\]

Pentru drepte paralele, unghiul este de \(0^\circ\). Dacă \(m(\sphericalangle(a,b))=90^\circ\), dreptele sunt perpendiculare: \(a\perp b\) (chiar dacă sunt necoplanare).

Metoda practică: înlocuim una dintre drepte cu o paralelă la ea care o intersectează pe cealaltă și calculăm unghiul obținut într-un triunghi:

\[a\parallel a^{\prime},\ a^{\prime}\cap b=\{O\}\ \Rightarrow\ m(\sphericalangle(a,b))=m(\sphericalangle(a^{\prime},b)).\]

Exemplul 15.3

În cubul \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\):
a) precizați poziția dreptelor \(AB\) și \(C^{\prime}D^{\prime}\), \(AB\) și \(CC^{\prime}\), \(AC\) și \(BD\);
b) calculați \(m(\sphericalangle(AB, CC^{\prime}))\) și \(m(\sphericalangle(AB^{\prime}, BC^{\prime}))\).
Rezolvare
ABCDA′B′C′D′

a) \(AB\parallel DC\) și \(DC\parallel D^{\prime}C^{\prime}\), deci \(AB\parallel C^{\prime}D^{\prime}\). Dreptele \(AB\) și \(CC^{\prime}\) sunt necoplanare. Diagonalele \(AC\) și \(BD\) ale pătratului \(ABCD\) sunt concurente.

b) \(CC^{\prime}\parallel BB^{\prime}\), deci \(m(\sphericalangle(AB, CC^{\prime}))=m(\sphericalangle ABB^{\prime})=90^\circ\) (fața \(ABB^{\prime}A^{\prime}\) este pătrat).

\(BC^{\prime}\parallel AD^{\prime}\) (\(ABC^{\prime}D^{\prime}\) este dreptunghi), deci \(m(\sphericalangle(AB^{\prime}, BC^{\prime}))=m(\sphericalangle B^{\prime}AD^{\prime})\). Laturile triunghiului \(AB^{\prime}D^{\prime}\) sunt diagonale ale fețelor cubului: \(AB^{\prime}=AD^{\prime}=B^{\prime}D^{\prime}=l\sqrt2\), deci triunghiul este echilateral și

\[m(\sphericalangle(AB^{\prime}, BC^{\prime}))=60^\circ.\]

↑ Cuprins

15.3Poziția unei drepte față de un plan

Pozițiile relative ale unei drepte \(d\) față de un plan \(\alpha\)

  • dreapta este inclusă în plan: \(d\subset\alpha\) (toate punctele dreptei sunt în plan);
  • dreapta este secantă planului: \(d\cap\alpha=\{A\}\) (un singur punct comun);
  • dreapta este paralelă cu planul: \(d\cap\alpha=\varnothing\), notat \(d\parallel\alpha\).

Inclusă

αd

\(d\subset\alpha\)

Paralelă

αd′d

\(d\parallel d^{\prime}\), \(d^{\prime}\subset\alpha\Rightarrow d\parallel\alpha\)

Secantă

αAd

\(d\cap\alpha=\{A\}\)

Criteriul de paralelism dreaptă–plan

Dacă dreapta \(d\) nu este inclusă în planul \(\alpha\) și este paralelă cu o dreaptă \(d^{\prime}\) din plan, atunci \(d\parallel\alpha\):

\[d\not\subset\alpha,\ d\parallel d^{\prime},\ d^{\prime}\subset\alpha\ \Rightarrow\ d\parallel\alpha.\]

Teoreme

  • Dacă \(d\parallel\alpha\), atunci orice plan \(\beta\) care conține dreapta \(d\) și intersectează planul \(\alpha\) îl intersectează după o dreaptă paralelă cu \(d\).
  • Dacă \(d\parallel\alpha\) și \(A\in\alpha\), atunci paralela prin \(A\) la \(d\) este inclusă în \(\alpha\).

Observație

Ca să arătăm că o dreaptă este paralelă cu un plan, căutăm în plan o dreaptă paralelă cu ea. De cele mai multe ori aceasta se obține cu ajutorul unei linii mijlocii (în triunghi sau în trapez) sau al unui paralelogram.

Exemplul 15.4

Fie \(VABC\) un tetraedru și \(M, N\) mijloacele muchiilor \(VA\), respectiv \(VB\). Arătați că \(MN\parallel(ABC)\) și calculați \(MN\), știind că \(AB=12\) cm.
Rezolvare

În \(\triangle VAB\), \([MN]\) este linie mijlocie, deci \(MN\parallel AB\) și \(MN=\dfrac{AB}{2}=6\) cm.

Cum \(AB\subset(ABC)\) și \(MN\not\subset(ABC)\), din criteriul de paralelism rezultă \(MN\parallel(ABC)\).

Exemplul 15.5

În cubul \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) arătați că \(A^{\prime}C^{\prime}\parallel(ABC)\) și \(A^{\prime}B\parallel(DCC^{\prime})\).
Rezolvare

\(AA^{\prime}C^{\prime}C\) este dreptunghi, deci \(A^{\prime}C^{\prime}\parallel AC\subset(ABC)\); cum \(A^{\prime}C^{\prime}\not\subset(ABC)\), rezultă \(A^{\prime}C^{\prime}\parallel(ABC)\).

\(A^{\prime}BCD^{\prime}\) este dreptunghi (\(A^{\prime}D^{\prime}\parallel BC\) și \(A^{\prime}D^{\prime}=BC\)), deci \(A^{\prime}B\parallel D^{\prime}C\subset(DCC^{\prime})\), de unde \(A^{\prime}B\parallel(DCC^{\prime})\).

↑ Cuprins

15.4Poziția a două plane. Plane paralele

Pozițiile relative a două plane

  • plane paralele: nu au niciun punct comun, \(\alpha\cap\beta=\varnothing\), notat \(\alpha\parallel\beta\);
  • plane secante: se intersectează după o dreaptă, \(\alpha\cap\beta=d\);
  • plane confundate: \(\alpha=\beta\).

Plane paralele

αβ

\(\alpha\parallel\beta\)

Plane secante

dαβ

\(\alpha\cap\beta=d\)

Criteriul de paralelism a două plane

Dacă un plan \(\alpha\) conține două drepte concurente paralele cu un plan \(\beta\), atunci \(\alpha\parallel\beta\).

Teoreme de paralelism:

• dacă \(\alpha\parallel\beta\), atunci orice dreaptă inclusă în \(\alpha\) este paralelă cu \(\beta\);

• dacă un plan \(\gamma\) intersectează două plane paralele \(\alpha\) și \(\beta\), atunci dreptele de intersecție sunt paralele;

• două plane paralele cu un al treilea sunt paralele între ele: \(\alpha\parallel\gamma,\ \beta\parallel\gamma\Rightarrow\alpha\parallel\beta\);

• printr-un punct exterior unui plan trece un singur plan paralel cu planul dat;

• teorema lui Thales în spațiu: mai multe plane paralele determină pe două drepte pe care le intersectează segmente proporționale.

Exemplul 15.6

Fie \(VABC\) o piramidă și \(M, N, P\) mijloacele muchiilor \(VA, VB, VC\). Arătați că \((MNP)\parallel(ABC)\) și calculați aria triunghiului \(MNP\), știind că aria triunghiului \(ABC\) este \(36\ \text{cm}^2\).
Rezolvare
MNPABCV

\(MN\) și \(NP\) sunt linii mijlocii în triunghiurile \(VAB\) și \(VBC\), deci \(MN\parallel AB\) și \(NP\parallel BC\). Rezultă \(MN\parallel(ABC)\) și \(NP\parallel(ABC)\). Dreptele \(MN\) și \(NP\) sunt concurente (în \(N\)) și sunt incluse în \((MNP)\), deci \((MNP)\parallel(ABC)\).

Laturile triunghiului \(MNP\) sunt jumătăți ale laturilor triunghiului \(ABC\), deci \(\triangle MNP\sim\triangle ABC\) cu raportul \(\dfrac12\). Raportul ariilor este pătratul raportului de asemănare:

\[\mathcal{A}_{MNP}=\left(\dfrac12\right)^2\cdot\mathcal{A}_{ABC}=\dfrac{36}{4}=9\ \text{cm}^2.\]

Exemplul 15.7

În cubul \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) arătați că \((A^{\prime}BD)\parallel(CB^{\prime}D^{\prime})\).
Rezolvare

\(BDD^{\prime}B^{\prime}\) este dreptunghi, deci \(BD\parallel B^{\prime}D^{\prime}\subset(CB^{\prime}D^{\prime})\), adică \(BD\parallel(CB^{\prime}D^{\prime})\).

\(A^{\prime}BCD^{\prime}\) este dreptunghi, deci \(A^{\prime}B\parallel D^{\prime}C\subset(CB^{\prime}D^{\prime})\), adică \(A^{\prime}B\parallel(CB^{\prime}D^{\prime})\).

Dreptele \(BD\) și \(A^{\prime}B\) sunt concurente în \(B\) și incluse în \((A^{\prime}BD)\), deci \((A^{\prime}BD)\parallel(CB^{\prime}D^{\prime})\).

↑ Cuprins

15.5Dreapta perpendiculară pe un plan. Distanța de la un punct la un plan

Definiție

O dreaptă \(d\) este perpendiculară pe planul \(\alpha\) (\(d\perp\alpha\)) dacă este perpendiculară pe orice dreaptă inclusă în \(\alpha\).

Criteriul de perpendicularitate

Dacă o dreaptă este perpendiculară pe două drepte concurente dintr-un plan, atunci ea este perpendiculară pe plan:

\[d\perp a,\ d\perp b,\ a, b\subset\alpha,\ a\cap b=\{O\}\ \Rightarrow\ d\perp\alpha.\]

αabOd

Teoreme:

• \(d\perp\alpha\) și \(a\subset\alpha\Rightarrow d\perp a\) (folosită foarte des în probleme);

• printr-un punct dat trece o singură dreaptă perpendiculară pe un plan dat și un singur plan perpendicular pe o dreaptă dată;

• două drepte perpendiculare pe același plan sunt paralele: \(a\perp\alpha,\ b\perp\alpha\Rightarrow a\parallel b\);

• două plane perpendiculare pe aceeași dreaptă sunt paralele: \(\alpha\perp d,\ \beta\perp d\Rightarrow\alpha\parallel\beta\);

• dacă \(a\parallel b\) și \(a\perp\alpha\), atunci \(b\perp\alpha\).

Distanța de la un punct la un plan

Fie \(P\notin\alpha\) și \(O\) piciorul perpendicularei din \(P\) pe \(\alpha\) (\(PO\perp\alpha\), \(O\in\alpha\)). Distanța de la punctul \(P\) la planul \(\alpha\) este

\[d(P,\alpha)=PO.\]

\(PO\) este mai mic decât orice oblică \(PA\), \(A\in\alpha\), \(A\ne O\), deoarece în triunghiul dreptunghic \(POA\) ipotenuza \(PA\) este mai mare decât cateta \(PO\).

Distanța dintre două plane paralele este distanța de la un punct oarecare al unuia la celălalt plan; distanța de la o dreaptă paralelă cu un plan la acel plan se calculează la fel, din orice punct al dreptei.

Observație

În corpurile geometrice, înălțimea prismei este distanța dintre planele bazelor, iar înălțimea piramidei este distanța de la vârf la planul bazei.

Exemplul 15.8

Pe planul triunghiului \(ABC\) se ridică perpendiculara \(PA\), cu \(PA=8\) cm. Știind că \(AB=6\) cm și \(AC=15\) cm, calculați \(d(P,(ABC))\), \(PB\) și \(PC\).
Rezolvare
ABCP

\(PA\perp(ABC)\), deci \(d(P,(ABC))=PA=8\) cm.

Cum \(AB, AC\subset(ABC)\), avem \(PA\perp AB\) și \(PA\perp AC\). Cu teorema lui Pitagora:

\[PB=\sqrt{8^2+6^2}=\sqrt{100}=10\ \text{cm},\qquad PC=\sqrt{8^2+15^2}=\sqrt{289}=17\ \text{cm}.\]

Exemplul 15.9

În cubul \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) cu muchia de 5 cm arătați că \(BC\perp(ABB^{\prime})\) și deduceți că \(BC\perp AB^{\prime}\). Calculați \(d(C,(ABB^{\prime}))\).
Rezolvare

\(BC\perp AB\) (fața \(ABCD\) este pătrat) și \(BC\perp BB^{\prime}\) (fața \(BCC^{\prime}B^{\prime}\) este pătrat). Dreptele \(AB\) și \(BB^{\prime}\) sunt concurente și incluse în \((ABB^{\prime})\), deci \(BC\perp(ABB^{\prime})\).

Cum \(AB^{\prime}\subset(ABB^{\prime})\), rezultă \(BC\perp AB^{\prime}\). Piciorul perpendicularei din \(C\) pe \((ABB^{\prime})\) este \(B\), deci \(d(C,(ABB^{\prime}))=CB=5\) cm.

↑ Cuprins

15.6Proiecții. Unghiul dintre o dreaptă și un plan

Proiecții ortogonale pe un plan

  • Proiecția unui punct \(A\) pe planul \(\alpha\) este piciorul \(A^{\prime}\) al perpendicularei din \(A\) pe \(\alpha\) (dacă \(A\in\alpha\), proiecția este chiar \(A\)).
  • Proiecția unui segment \([AB]\) este segmentul \([A^{\prime}B^{\prime}]\) determinat de proiecțiile capetelor (sau un punct, dacă \(AB\perp\alpha\)).
  • Proiecția unei drepte neperpendiculare pe plan este o dreaptă; proiecția unei drepte perpendiculare pe plan este un punct.

Unghiul dintre o dreaptă și un plan

  • dacă \(d\perp\alpha\), atunci \(m(\sphericalangle(d,\alpha))=90^\circ\);
  • dacă \(d\parallel\alpha\) sau \(d\subset\alpha\), atunci \(m(\sphericalangle(d,\alpha))=0^\circ\);
  • altfel, unghiul dintre dreaptă și plan este unghiul dintre dreaptă și proiecția ei pe plan.

Practic: dacă \(d\cap\alpha=\{O\}\), \(A\in d\) și \(A^{\prime}\) este proiecția lui \(A\) pe \(\alpha\), atunci \(m(\sphericalangle(d,\alpha))=m(\sphericalangle AOA^{\prime})\).

αAA′Odd′φ

În triunghiul dreptunghic \(AA^{\prime}O\) (\(m(\sphericalangle AA^{\prime}O)=90^\circ\)), cu \(\varphi=m(\sphericalangle AOA^{\prime})\):

\[\sin\varphi=\dfrac{AA^{\prime}}{OA},\qquad \cos\varphi=\dfrac{OA^{\prime}}{OA},\qquad \operatorname{tg}\varphi=\dfrac{AA^{\prime}}{OA^{\prime}}.\]

Lungimea proiecției unui segment care face unghiul \(\varphi\) cu planul: \(A^{\prime}B^{\prime}=AB\cdot\cos\varphi\). Dacă \(AB\parallel\alpha\), atunci \(A^{\prime}B^{\prime}=AB\).

Atenție

Unghiul dintre o dreaptă și un plan nu este unghiul cu o dreaptă oarecare din plan, ci unghiul cu proiecția dreptei pe plan. Primul pas este întotdeauna găsirea proiecției (adică a perpendicularei pe plan).

Exemplul 15.10

Cubul \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) are muchia de 6 cm. Calculați tangenta unghiului dintre dreapta \(A^{\prime}C\) și planul \((ABC)\).
Rezolvare
ABCDA′B′C′D′

\(A^{\prime}A\perp(ABC)\), deci proiecția lui \(A^{\prime}\) pe \((ABC)\) este \(A\), iar \(C\in(ABC)\). Proiecția dreptei \(A^{\prime}C\) pe plan este \(AC\), deci \(m(\sphericalangle(A^{\prime}C,(ABC)))=m(\sphericalangle A^{\prime}CA)\).

\(AC=6\sqrt2\) cm (diagonala pătratului), iar triunghiul \(A^{\prime}AC\) este dreptunghic în \(A\):

\[\operatorname{tg}(\sphericalangle A^{\prime}CA)=\dfrac{AA^{\prime}}{AC}=\dfrac{6}{6\sqrt2}=\dfrac{\sqrt2}{2}.\]

Exemplul 15.11

Segmentul \([AB]\), cu \(AB=10\) cm și \(A\in\alpha\), face cu planul \(\alpha\) un unghi de \(30^\circ\). Calculați lungimea proiecției segmentului pe plan și distanța de la \(B\) la plan.
Rezolvare

Fie \(B^{\prime}\) proiecția lui \(B\) pe \(\alpha\); proiecția segmentului este \([AB^{\prime}]\), iar triunghiul \(ABB^{\prime}\) este dreptunghic în \(B^{\prime}\), cu \(m(\sphericalangle BAB^{\prime})=30^\circ\).

\[AB^{\prime}=AB\cdot\cos30^\circ=10\cdot\dfrac{\sqrt3}{2}=5\sqrt3\ \text{cm},\qquad d(B,\alpha)=BB^{\prime}=\dfrac{AB}{2}=5\ \text{cm}\]

(cateta opusă unghiului de \(30^\circ\) este jumătate din ipotenuză).

↑ Cuprins

15.7Teorema celor trei perpendiculare

Teorema celor trei perpendiculare (T3⊥)

Dacă dintr-un punct \(P\) exterior unui plan \(\alpha\) ducem perpendiculara \(PO\) pe plan, iar din piciorul ei, \(O\), ducem perpendiculara \(OM\) pe o dreaptă \(d\) inclusă în plan (\(M\in d\)), atunci dreapta \(PM\) este perpendiculară pe \(d\):

\[\left.\begin{array}{l}PO\perp\alpha,\ O\in\alpha\\ OM\perp d,\ M\in d\\ d\subset\alpha\end{array}\right\}\ \Rightarrow\ PM\perp d.\]

αdPOM

Reciprocele teoremei celor trei perpendiculare

Reciproca 1. Dacă \(PO\perp\alpha\), \(O\in\alpha\), \(d\subset\alpha\), \(M\in d\) și \(PM\perp d\), atunci \(OM\perp d\).

Reciproca 2. Dacă \(PM\perp d\), \(OM\perp d\) (\(d\subset\alpha\), \(O, M\in\alpha\)) și \(PO\perp OM\), atunci \(PO\perp\alpha\).

Distanța de la un punct \(P\) la o dreaptă \(d\subset\alpha\), când \(PO\perp\alpha\):

ducem \(OM\perp d\), \(M\in d\); din T3⊥, \(PM\perp d\), deci

\[d(P,d)=PM=\sqrt{PO^2+OM^2}.\]

Observație

T3⊥ se folosește pentru: calculul distanței de la un punct la o dreaptă în spațiu, construcția unghiului diedru (secțiunea 15.8) și demonstrarea perpendicularității a două drepte. Nu uitați să precizați în redactare toate cele trei ipoteze.

Exemplul 15.12

Pe planul pătratului \(ABCD\) cu latura de 6 cm se ridică perpendiculara \(PA\), cu \(PA=6\) cm. Fie \(O\) centrul pătratului. Calculați:
a) distanța de la \(P\) la dreapta \(BD\);
b) distanța de la \(P\) la dreapta \(BC\).
Rezolvare
OABCDP

a) Diagonalele pătratului sunt perpendiculare: \(AO\perp BD\). Avem \(PA\perp(ABC)\), \(AO\perp BD\), \(BD\subset(ABC)\), deci, din T3⊥, \(PO\perp BD\) și \(d(P,BD)=PO\).

\(AO=\dfrac{AC}{2}=\dfrac{6\sqrt2}{2}=3\sqrt2\) cm, iar \(\triangle PAO\) este dreptunghic în \(A\):

\[PO=\sqrt{PA^2+AO^2}=\sqrt{36+18}=\sqrt{54}=3\sqrt6\ \text{cm}.\]

b) \(PA\perp(ABC)\), \(AB\perp BC\), \(BC\subset(ABC)\), deci, din T3⊥, \(PB\perp BC\) și \(d(P,BC)=PB=\sqrt{36+36}=6\sqrt2\) cm.

Exemplul 15.13

Triunghiul \(ABC\) este dreptunghic în \(A\), cu \(AB=6\) cm și \(AC=8\) cm. Pe planul triunghiului se ridică perpendiculara \(PA\), cu \(PA=4{,}8\) cm. Calculați distanța de la \(P\) la dreapta \(BC\).
Rezolvare

Ducem \(AD\perp BC\), \(D\in BC\). Din T3⊥ (\(PA\perp(ABC)\), \(AD\perp BC\), \(BC\subset(ABC)\)) rezultă \(PD\perp BC\), deci \(d(P,BC)=PD\).

\(BC=\sqrt{36+64}=10\) cm și \(AD=\dfrac{AB\cdot AC}{BC}=\dfrac{6\cdot8}{10}=4{,}8\) cm. În \(\triangle PAD\), dreptunghic isoscel în \(A\):

\[PD=\sqrt{4{,}8^2+4{,}8^2}=4{,}8\sqrt2\ \text{cm}.\]

↑ Cuprins

15.8Unghiul diedru. Plane perpendiculare

Unghiul diedru

Unghiul diedru este figura formată de două semiplane care au aceeași dreaptă-frontieră (muchia diedrului).

Unghiul plan corespunzător diedrului este unghiul format de două semidrepte cu originea în același punct \(O\) al muchiei, situate câte una în fiecare semiplan și perpendiculare pe muchie. Măsura unghiului diedru este măsura unghiului plan corespunzător.

Unghiul a două plane secante este cel mai mic dintre diedrele formate de ele, deci are măsura în \((0^\circ, 90^\circ]\); unghiul a două plane paralele este de \(0^\circ\).

OABαβmuchia

Metoda practică (cu T3⊥). Unghiul dintre planul \((PBC)\) și planul \(\alpha\supset BC\), unde \(PO\perp\alpha\):

ducem \(OM\perp BC\), \(M\in BC\); din T3⊥, \(PM\perp BC\), deci

\[m(\sphericalangle((PBC),\alpha))=m(\sphericalangle PMO),\qquad \operatorname{tg}(\sphericalangle PMO)=\dfrac{PO}{OM}.\]

Plane perpendiculare

Două plane sunt perpendiculare (\(\alpha\perp\beta\)) dacă unghiul dintre ele are \(90^\circ\).

Criteriu: dacă un plan conține o dreaptă perpendiculară pe alt plan, atunci cele două plane sunt perpendiculare: \(a\subset\beta,\ a\perp\alpha\Rightarrow\beta\perp\alpha\).

Teoremă: dacă \(\alpha\perp\beta\), \(\alpha\cap\beta=d\), iar dreapta \(a\subset\beta\) este perpendiculară pe \(d\), atunci \(a\perp\alpha\).

aαβ

Atenție

Laturile unghiului plan trebuie să fie perpendiculare pe muchie în același punct. De exemplu, la piramida patrulateră regulată \(VABCD\), unghiul dintre fața \((VBC)\) și bază este \(\sphericalangle VMO\) (\(M\) mijlocul lui \(BC\)), nu \(\sphericalangle VBO\) și nici \(\sphericalangle VBA\).

Exemplul 15.14

Piramida patrulateră regulată \(VABCD\) are latura bazei \(AB=6\) cm și înălțimea \(VO=3\sqrt3\) cm. Determinați măsura unghiului dintre planele \((VBC)\) și \((ABC)\).
Rezolvare
OMABCDV

Fie \(M\) mijlocul lui \(BC\). În pătrat, \(OM\perp BC\) și \(OM=\dfrac{AB}{2}=3\) cm. Cum \(VO\perp(ABC)\), \(OM\perp BC\), \(BC\subset(ABC)\), din T3⊥ rezultă \(VM\perp BC\). Deci

\[m(\sphericalangle((VBC),(ABC)))=m(\sphericalangle VMO),\qquad \operatorname{tg}(\sphericalangle VMO)=\dfrac{VO}{OM}=\dfrac{3\sqrt3}{3}=\sqrt3,\]

de unde \(m(\sphericalangle VMO)=60^\circ\).

Exemplul 15.15

Pe planul triunghiului \(ABC\) se ridică perpendiculara \(PA\). Arătați că \((PAB)\perp(ABC)\). Dacă, în plus, \(m(\sphericalangle BAC)=90^\circ\), arătați că \((PAB)\perp(PAC)\).
Rezolvare

Planul \((PAB)\) conține dreapta \(PA\), perpendiculară pe \((ABC)\), deci \((PAB)\perp(ABC)\).

Dacă \(AC\perp AB\) și \(AC\perp PA\) (deoarece \(PA\perp(ABC)\)), atunci \(AC\) este perpendiculară pe două drepte concurente din \((PAB)\), deci \(AC\perp(PAB)\). Cum \(AC\subset(PAC)\), rezultă \((PAC)\perp(PAB)\).

↑ Cuprins

Rescris și completat după Breviar teoretic cu exemple concrete pentru Evaluarea Națională, prof. Ignătescu Viorel Ovidiu (Revista Mateinfo.ro, 2010).