Lecția IV.14 conține următoarele grupuri de exerciții:

Alege rezolvarea exercițiului:

Exercițiul 1 (gratuit)

Rezolvare scurtă

Figura 10

\( VA \perp (ABC), AB, BC \subset (ABC), AB \perp BC \xrightarrow{T3P} VB \perp BC \implies d(V, BC) = VB \) În \( \triangle VAB, \angle A = 90^\circ \implies VB = \sqrt{VA^2 + AB^2} = \sqrt{2^2 + 2^2} = 2\sqrt{2} \text{ cm} \) \( BC \perp AB, BC \perp VA \implies BC \perp (VAB) \implies (VBC) \perp (VAB) \) Fie \( AD \perp VB, D \in VB \implies AD \perp (VBC) \implies d(A, (VBC)) = AD \) În \( \triangle VAB, \angle A = 90^\circ, AD \perp VB \implies AD = \frac{VA \cdot AB}{VB} = \frac{2 \cdot 2}{2\sqrt{2}} = \sqrt{2} \text{ cm} \)

Figura 11

Fie \( M \in BC \) mijlocul laturii \( BC \). \( \triangle ABC \) echilateral \( \implies AM \perp BC, AM = \frac{6\sqrt{3}}{2} = 3\sqrt{3} \text{ cm} \) \( VA \perp (ABC), AM \perp BC \xrightarrow{T3P} VM \perp BC \implies d(V, BC) = VM \) În \( \triangle VAM, \angle A = 90^\circ \implies VM = \sqrt{VA^2 + AM^2} = \sqrt{18 + 27} = \sqrt{45} = 3\sqrt{5} \text{ cm} \) \( BC \perp AM, BC \perp VA \implies BC \perp (VAM) \implies (VBC) \perp (VAM) \) Fie \( AD \perp VM, D \in VM \implies AD \perp (VBC) \implies d(A, (VBC)) = AD \) În \( \triangle VAM, AD \perp VM \implies AD = \frac{VA \cdot AM}{VM} = \frac{3\sqrt{2} \cdot 3\sqrt{3}}{3\sqrt{5}} = \frac{3\sqrt{6}}{\sqrt{5}} = \frac{3\sqrt{30}}{5} \text{ cm} \)

Figura 12

În \( \triangle ABC: AB^2 + AC^2 = 4^2 + (4\sqrt{3})^2 = 16 + 48 = 64 \) și \( BC^2 = 8^2 = 64 \) \( AB^2 + AC^2 = BC^2 \implies \angle BAC = 90^\circ \) Fie \( AM \perp BC, M \in BC \implies AM = \frac{AB \cdot AC}{BC} = \frac{4 \cdot 4\sqrt{3}}{8} = 2\sqrt{3} \text{ cm} \) \( VA \perp (ABC), AM \perp BC \xrightarrow{T3P} VM \perp BC \implies d(V, BC) = VM \) În \( \triangle VAM, \angle A = 90^\circ \implies VM = \sqrt{VA^2 + AM^2} = \sqrt{2^2 + 12} = \sqrt{16} = 4 \text{ cm} \) \( BC \perp AM, BC \perp VA \implies BC \perp (VAM) \implies (VBC) \perp (VAM) \) Fie \( AD \perp VM, D \in VM \implies AD \perp (VBC) \implies d(A, (VBC)) = AD \) În \( \triangle VAM, AD \perp VM \implies AD = \frac{VA \cdot AM}{VM} = \frac{2 \cdot 2\sqrt{3}}{4} = \sqrt{3} \text{ cm} \)

Rezolvare detaliată

Pentru a rezolva această problemă, vom aplica Teorema celor trei perpendiculare (T3P) pentru a găsi distanța de la vârful \( V \) la dreapta \( BC \) și vom construi o perpendiculară pentru a găsi distanța de la punctul \( A \) la planul \( (VBC) \). Acești pași sunt similari pentru toate cele trei figuri.

Figura 10

Determinarea distanței de la punctul \( V \) la dreapta \( BC \)

Din figură, observăm că triunghiul \( ABC \) este dreptunghic în \( B \), deci \( AB \perp BC \). Aplicăm Teorema celor trei perpendiculare: 1. \( VA \perp (ABC) \) (din ipoteză) 2. \( AB \perp BC \), unde \( AB, BC \subset (ABC) \) Din aceste două relații rezultă că \( VB \perp BC \). Așadar, distanța de la punctul \( V \) la dreapta \( BC \) este chiar lungimea segmentului \( VB \), adică \( d(V, BC) = VB \). În triunghiul dreptunghic \( \triangle VAB \) (\( \angle VAB = 90^\circ \) deoarece \( VA \perp (ABC) \)), aplicăm Teorema lui Pitagora pentru a afla \( VB \): \[ VB^2 = VA^2 + AB^2 \] \[ VB^2 = 2^2 + 2^2 = 4 + 4 = 8 \] \[ VB = \sqrt{8} = 2\sqrt{2} \text{ cm} \]

Determinarea distanței de la punctul \( A \) la planul \( (VBC) \)

Pentru a găsi \( d(A, (VBC)) \), trebuie să construim o perpendiculară din \( A \) pe planul \( (VBC) \). Deoarece \( BC \perp AB \) și \( BC \perp VA \), rezultă că dreapta \( BC \) este perpendiculară pe planul feței laterale \( (VAB) \). Planul \( (VBC) \) conține dreapta \( BC \), deci planele \( (VBC) \) și \( (VAB) \) sunt perpendiculare. Fie \( AD \perp VB \), cu \( D \in VB \). Deoarece \( BC \perp (VAB) \) și \( AD \subset (VAB) \), rezultă că \( BC \perp AD \). Având \( AD \perp VB \) și \( AD \perp BC \), obținem că \( AD \perp (VBC) \). Astfel, \( d(A, (VBC)) = AD \). În triunghiul dreptunghic \( \triangle VAB \), segmentul \( AD \) este înălțimea corespunzătoare ipotenuzei. Folosim formula înălțimii (\( h = \frac{c_1 \cdot c_2}{ip} \)): \[ AD = \frac{VA \cdot AB}{VB} \] \[ AD = \frac{2 \cdot 2}{2\sqrt{2}} = \frac{\cancel{4}^2}{\cancel{2}_1\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}} = \frac{2\sqrt{2}}{2} = \sqrt{2} \text{ cm} \]

Figura 11

Determinarea distanței de la punctul \( V \) la dreapta \( BC \)

Triunghiul \( ABC \) are toate laturile egale cu \( 6 \text{ cm} \) (\( AB = BC = CA = 6 \text{ cm} \)), deci este un triunghi echilateral. Fie \( M \) mijlocul laturii \( BC \). În triunghiul echilateral, mediana este și înălțime, așadar \( AM \perp BC \). Calculăm lungimea înălțimii \( AM \) folosind formula \( h = \frac{l\sqrt{3}}{2} \): \[ AM = \frac{6\sqrt{3}}{2} = \frac{\cancel{6}^3\sqrt{3}}{\cancel{2}_1} = 3\sqrt{3} \text{ cm} \] Aplicăm Teorema celor trei perpendiculare: 1. \( VA \perp (ABC) \) 2. \( AM \perp BC \), cu \( AM, BC \subset (ABC) \) Rezultă că \( VM \perp BC \), ceea ce înseamnă că \( d(V, BC) = VM \). În triunghiul dreptunghic \( \triangle VAM \) (\( \angle VAM = 90^\circ \)), aplicăm Teorema lui Pitagora: \[ VM^2 = VA^2 + AM^2 \] \[ VM^2 = (3\sqrt{2})^2 + (3\sqrt{3})^2 = 18 + 27 = 45 \] \[ VM = \sqrt{45} = 3\sqrt{5} \text{ cm} \]

Determinarea distanței de la punctul \( A \) la planul \( (VBC) \)

Prin același raționament ca la figura anterioară, deoarece \( BC \perp AM \) și \( BC \perp VA \), rezultă că \( BC \perp (VAM) \). Fie \( AD \perp VM \), cu \( D \in VM \). Fiindcă \( BC \perp (VAM) \) și \( AD \subset (VAM) \), deducem că \( BC \perp AD \). Cum \( AD \perp VM \) și \( AD \perp BC \), rezultă că \( AD \perp (VBC) \). Prin urmare, \( d(A, (VBC)) = AD \). În triunghiul dreptunghic \( \triangle VAM \), calculăm înălțimea \( AD \): \[ AD = \frac{VA \cdot AM}{VM} \] \[ AD = \frac{3\sqrt{2} \cdot 3\sqrt{3}}{3\sqrt{5}} = \frac{\cancel{3}^1 \cdot 3\sqrt{6}}{\cancel{3}_1\sqrt{5}} = \frac{3\sqrt{6}}{\sqrt{5}} \] Raționalizăm numitorul amplificând cu \( \sqrt{5} \): \[ AD = \frac{3\sqrt{30}}{5} \text{ cm} \]

Figura 12

Determinarea distanței de la punctul \( V \) la dreapta \( BC \)

Cunoaștem laturile triunghiului \( ABC \): \( AB = 4 \text{ cm} \), \( AC = 4\sqrt{3} \text{ cm} \), \( BC = 8 \text{ cm} \). Verificăm dacă triunghiul este dreptunghic folosind Reciproca Teoremei lui Pitagora: \[ AB^2 + AC^2 = 4^2 + (4\sqrt{3})^2 = 16 + 48 = 64 \] \[ BC^2 = 8^2 = 64 \] Deoarece \( AB^2 + AC^2 = BC^2 \), triunghiul \( ABC \) este dreptunghic în \( A \) (\( \angle BAC = 90^\circ \)). Fie \( AM \perp BC \), unde \( M \in BC \). Calculăm înălțimea corespunzătoare ipotenuzei din triunghiul \( ABC \): \[ AM = \frac{AB \cdot AC}{BC} = \frac{4 \cdot 4\sqrt{3}}{8} = \frac{\cancel{16}^2\sqrt{3}}{\cancel{8}_1} = 2\sqrt{3} \text{ cm} \] Aplicăm din nou Teorema celor trei perpendiculare: 1. \( VA \perp (ABC) \) 2. \( AM \perp BC \), cu \( AM, BC \subset (ABC) \) Rezultă că \( VM \perp BC \), deci \( d(V, BC) = VM \). În triunghiul dreptunghic \( \triangle VAM \) (\( \angle VAM = 90^\circ \)), aplicăm Teorema lui Pitagora: \[ VM^2 = VA^2 + AM^2 \] \[ VM^2 = 2^2 + (2\sqrt{3})^2 = 4 + 12 = 16 \] \[ VM = \sqrt{16} = 4 \text{ cm} \]

Determinarea distanței de la punctul \( A \) la planul \( (VBC) \)

La fel ca în cazurile precedente, \( BC \perp (VAM) \). Construim \( AD \perp VM \), cu \( D \in VM \). Deoarece \( BC \perp (VAM) \), rezultă că \( AD \perp BC \). Fiind perpendiculară pe două drepte concurente din planul \( (VBC) \) (\( VM \) și \( BC \)), obținem \( AD \perp (VBC) \), adică \( d(A, (VBC)) = AD \). Calculăm înălțimea \( AD \) în triunghiul dreptunghic \( \triangle VAM \): \[ AD = \frac{VA \cdot AM}{VM} \] \[ AD = \frac{2 \cdot 2\sqrt{3}}{4} = \frac{\cancel{4}^1\sqrt{3}}{\cancel{4}_1} = \sqrt{3} \text{ cm} \]

Rezolvare scurtă:

Figura 10

\( VA \perp (ABC), AB \perp BC \xrightarrow{T3P} VB \perp BC \implies d(V, BC) = VB = \sqrt{2^2 + 2^2} = 2\sqrt{2} \text{ cm} \) Fie \( AD \perp VB \implies AD \perp (VBC) \implies d(A, (VBC)) = AD = \frac{2 \cdot 2}{2\sqrt{2}} = \sqrt{2} \text{ cm} \)

Figura 11

Fie \( AM \perp BC \implies AM = \frac{6\sqrt{3}}{2} = 3\sqrt{3} \text{ cm} \) \( VA \perp (ABC), AM \perp BC \xrightarrow{T3P} VM \perp BC \implies d(V, BC) = VM = \sqrt{18 + 27} = 3\sqrt{5} \text{ cm} \) Fie \( AD \perp VM \implies AD \perp (VBC) \implies d(A, (VBC)) = AD = \frac{3\sqrt{2} \cdot 3\sqrt{3}}{3\sqrt{5}} = \frac{3\sqrt{30}}{5} \text{ cm} \)

Figura 12

\( AB^2 + AC^2 = 16 + 48 = 64 = BC^2 \implies \angle BAC = 90^\circ \) Fie \( AM \perp BC \implies AM = \frac{4 \cdot 4\sqrt{3}}{8} = 2\sqrt{3} \text{ cm} \) \( VA \perp (ABC), AM \perp BC \xrightarrow{T3P} VM \perp BC \implies d(V, BC) = VM = \sqrt{4 + 12} = 4 \text{ cm} \) Fie \( AD \perp VM \implies AD \perp (VBC) \implies d(A, (VBC)) = AD = \frac{2 \cdot 2\sqrt{3}}{4} = \sqrt{3} \text{ cm} \)

Cele mai importante aspecte ale lecției

• Teorema celor 3 Perpendiculare (T3P): Perpendiculară pe plan + Perpendiculară din piciorul ei pe o dreaptă din plan = Oblică perpendiculară pe acea dreaptă din plan. Folosită pentru distanța de la un punct la o dreaptă.
• Reciproca I (R1T3P): Dacă oblica e perpendiculară pe o dreaptă din plan, proiecția ei pe plan este și ea perpendiculară pe acea dreaptă.
• Reciproca a II-a (R2T3P): Utilitate majoră în aflarea distanței de la un punct la un plan (lungimea înălțimii ridicate spre intersecția perpendicularelor din plan).
• Plane paralele: Distanța dintre ele se reduce la aflarea distanței de la un punct oarecare de pe un plan, pe suprafața celuilalt plan.
Fie o dreaptă \( d \) perpendiculară pe un plan \( \alpha \) în punctul \( O \) și o dreaptă \( OA \) perpendiculară în \( A \) pe o dreaptă \( a \) situată în planul \( \alpha \) (\( O \notin a \)). Atunci, pentru orice punct \( P \) aparținând dreptei \( d \), distanța de la \( P \) la dreapta \( a \) se obține unind \( P \) cu \( A \), adică dreapta \( PA \) este perpendiculară pe dreapta \( a \).
\[ \left. \begin{array}{l} d \perp \alpha, d \cap \alpha = \{O\} \\ OA \perp a, A \in a, a \subset \alpha, O \notin a \\ P \in d \end{array} \right\} \Rightarrow PA \perp a \]
Un plan orizontal, denumit alfa, este reprezentat în perspectivă. O dreaptă verticală 'd' este perpendiculară pe planul alfa în punctul 'O'. Un punct 'P' se află pe dreapta 'd', deasupra punctului 'O'. În planul alfa, se află o dreaptă 'a' și un punct 'A' pe această dreaptă. Segmentul 'OA' conectează punctul 'O' (exterior dreptei 'a') cu punctul 'A' și este perpendicular pe dreapta 'a' în 'A'. Un segment 'PA' unește punctul 'P' cu punctul 'A', formând o linie oblică față de planul alfa. Segmentul 'PA' este, de asemenea, perpendicular pe dreapta 'a' în punctul 'A'.
Fie un dreptunghi \( ABCD \) inclus într-un plan și o perpendiculară \( EA \) pe acest plan. Demonstrația că \( EB \perp BC \) decurge din:
1. \( EA \perp (ABC) \)
2. \( AB \perp BC \) (deoarece \( ABCD \) este dreptunghi)
3. \( BC \subset (ABC) \)
Conform teoremei celor trei perpendiculare \( \Rightarrow EB \perp BC \).
Fie o dreaptă \( d \) perpendiculară pe un plan \( \alpha \) în punctul \( O \) și dreapta \( a \) inclusă în \( \alpha \) (\( O \notin a \)). Dacă o oblică \( PA \) (\( P \in d, A \in a \)) este perpendiculară pe dreapta \( a \), atunci și proiecția ei pe plan, \( OA \), este perpendiculară pe \( a \).
\[ \left. \begin{array}{l} d \perp \alpha, d \cap \alpha = \{O\} \\ a \subset \alpha, O \notin a \\ PA \perp a, P \in d, A \in a \end{array} \right\} \Rightarrow OA \perp a \]
Această reciprocă este folosită în special pentru a demonstra că o dreaptă din plan este perpendiculară pe proiecția unei oblice, ajutând deseori la determinarea distanței de la un punct la o dreaptă. Dacă perpendicularele din \( P \) și \( O \) cad pe dreapta \( a \), ele au același picior de sprijin.
Fie o dreaptă \( a \) și \( A \) un punct al ei. Dacă din punctele \( P \) și \( O \) se construiesc perpendiculare pe dreapta \( a \), astfel încât \( PA \perp a \) și \( OA \perp a \), iar distanța dintre cele două puncte este \( PO \perp OA \) (punctele fiind necoliniare), atunci segmentul \( PO \) este perpendicular pe întregul plan determinat de dreptele \( OA \) și \( a \).
A doua reciprocă este fundamentală pentru calcularea distanței de la un punct la un plan, indicând faptul că segmentul \( PO \) reprezintă chiar această distanță.
Un plan orizontal `alfa` este reprezentat în perspectivă. În acest plan, se află o dreaptă `a` și un punct `O` care nu aparține dreptei `a`. Un punct `A` este situat pe dreapta `a`. Segmentul `OA` este trasat în planul `alfa`. Din spațiu, un punct `P` este poziționat direct deasupra punctului `O`, formând un segment vertical `PO`. Segmentul `PA` este trasat, conectând `P` cu `A`. Perpendicularități cheie: segmentul `OA` este perpendicular pe dreapta `a` în punctul `A`; segmentul `PA` este perpendicular pe dreapta `a` în punctul `A`; și segmentul `PO` este perpendicular pe `OA` în punctul `O`. Aceste relații de perpendicularitate trebuie indicate clar cu simboluri pentru unghiuri drepte.
Distanța dintre două plane paralele este constantă și este egală cu lungimea segmentului perpendicular coborât din orice punct al primului plan pe cel de-al doilea plan.
Dacă \( \alpha \parallel \beta \), atunci: \[ d(\alpha, \beta) = d(P, \beta) \] unde \( P \) este orice punct astfel încât \( P \in \alpha \).

Probleme practice

Dificultate Ușoară: Considerăm un dreptunghi \( ABCD \) cu \( AB = 4 \) cm și \( BC = 3 \) cm. Din punctul \( A \) se ridică pe planul dreptunghiului perpendiculara \( MA \perp (ABC) \) având lungimea de \( 12 \) cm. Calculați distanța de la punctul \( M \) la dreapta \( BC \).
1. Identificarea distanței: Distanța de la punctul \( M \) la dreapta \( BC \) este lungimea segmentului \( MB \). Pentru a demonstra acest lucru folosim Teorema celor trei perpendiculare:
\( MA \perp (ABC) \)
\( AB \perp BC \) (\( ABCD \) este dreptunghi)
\( BC \subset (ABC) \)
\( \Rightarrow MB \perp BC \). Deci, \( d(M, BC) = MB \).

2. Calculul lungimii: În triunghiul dreptunghic \( MAB \) (\( \angle A = 90^\circ \)), aplicăm Teorema lui Pitagora: \[ MB^2 = MA^2 + AB^2 \] \[ MB^2 = 12^2 + 4^2 = 144 + 16 = 160 \] \[ MB = \sqrt{160} = 4\sqrt{10} \text{ cm} \]
Dificultate Medie: Fie triunghiul dreptunghic \( ABC \) cu \( \angle A = 90^\circ \), \( AB = 6 \) cm și \( AC = 8 \) cm. Se ridică perpendiculara \( DA \perp (ABC) \), cu \( DA = 2 \) cm. Calculați distanța de la punctul \( D \) la dreapta \( BC \).
1. Construcția și aplicarea T3P: Fie \( AE \perp BC \), cu \( E \in BC \).
Din relațiile \( DA \perp (ABC) \), \( AE \perp BC \) și \( BC \subset (ABC) \), conform Teoremei celor trei perpendiculare, rezultă că \( DE \perp BC \). Astfel, distanța este lungimea segmentului \( DE \).

2. Calculul elementelor necesare: În triunghiul dreptunghic \( ABC \), ipotenuza \( BC \) este: \[ BC = \sqrt{AB^2 + AC^2} = \sqrt{6^2 + 8^2} = \sqrt{100} = 10 \text{ cm} \] Înălțimea corespunzătoare ipotenuzei \( AE \) este: \[ AE = \frac{AB \cdot AC}{BC} = \frac{6 \cdot 8}{10} = 4,8 \text{ cm} \]
3. Calculul final: În triunghiul dreptunghic \( DAE \) (\( \angle A = 90^\circ \)), aplicăm Teorema lui Pitagora: \[ DE^2 = DA^2 + AE^2 \] \[ DE^2 = 2^2 + (4,8)^2 = 4 + 23,04 = 27,04 \] \[ DE = \sqrt{27,04} = 5,2 \text{ cm} \]
Dificultate Ridicată: Păstrând configurația de la problema anterioară (\( \Delta ABC \) dreptunghic în \( A \), \( AB = 6 \) cm, \( AC = 8 \) cm, \( DA \perp (ABC) \), \( DA = 2 \) cm), calculați distanța de la punctul \( A \) la planul \( (DBC) \).
1. Determinarea proiecției distanței: Am demonstrat anterior că \( AE \perp BC \) și \( DE \perp BC \). Fie un punct \( P \in DE \) astfel încât \( AP \perp DE \). Din relațiile \( BC \perp AE \) și \( BC \perp DE \) deducem că \( BC \perp (DAE) \). Deoarece \( AP \subset (DAE) \), rezultă că \( BC \perp AP \). Cum \( AP \perp DE \) și \( AP \perp BC \) (iar \( DE \) și \( BC \) sunt concurente în \( E \)), rezultă că \( AP \perp (DBC) \). Așadar, distanța căutată este lungimea segmentului \( AP \).

2. Calculul lungimii distanței: În triunghiul dreptunghic \( DAE \) (\( \angle DAE = 90^\circ \)), \( AP \) este înălțimea corespunzătoare ipotenuzei \( DE \). \[ AP = \frac{DA \cdot AE}{DE} \] Folosind valorile din problema precedentă (\( DA = 2 \), \( AE = 4,8 \), \( DE = 5,2 \)): \[ AP = \frac{2 \cdot 4,8}{5,2} = \frac{9,6}{5,2} = \frac{96}{52} = \frac{24}{13} \text{ cm} \]

Învinge
tema
cu mii de rezolvări, lecții și teste: