Расстояние между параллельными прямыми - определение и вычисление с примерами решения

Содержание:

Расстояние от точки до прямой:

Введем теперь понятие расстояния от точки до прямой. Пусть точка А не лежит на прямой b и отрезок АО — перпендикуляр, проведенный из точки А к прямой b (рис. 121, a).

Наклонной к прямой b называется отрезок AM, где М — произвольная точка прямой b, не совпадающая с точкой О (см. рис. 121, а). В прямоугольном треугольнике АОМ катет АО меньше гипотенузы AM. Таким образом, перпендикуляр, проведенный из точки к прямой, меньше любой наклонной, проведенной из той же точки к данной прямой.

Определение расстояния от точки до прямой

Определение. Расстоянием от точки до прямой называется длина перпендикуляра, проведенного из этой точки к прямой.

Расстояние от точки А до прямой b обозначается d(A, b) (читают следующим образом: «Расстояние от точки А до прямой b»).

Например, если в прямоугольном треугольнике ABC угол С прямой, то расстояние от вершины А до прямой ВС равно длине катета АС, а расстояние от вершины В до прямой АС равно длине катета ВС (рис. 121, б). Длина отрезка CF, являющегося высотой этого треугольника, есть расстояние от вершины С до прямой АВ.

Воспользовавшись понятием расстояния от точки до прямой, можно определить понятие расстояния между параллельными прямыми.

Расстояние между параллельными прямыми

Предварительно докажем еще одно свойство параллельных прямых.

Теорема. Все точки каждой из двух параллельных прямых находятся на равном расстоянии от другой прямой.

Доказательство.

1) Пусть а и b две параллельные прямые, отрезок ОВ — перпендикуляр, проведенный из произвольной точки О прямой а к прямой b (рис. 122, а). Докажем, что расстояние от любой точки М прямой а до прямой b равно длине отрезка ОВ.

2) Проведем из точки М перпендикуляр MF к прямой b. Так как MF b, а прямые а и b параллельны, то MF а.

3) Прямоугольные треугольники OBF и OMF равны по гипотенузе и острому углу (сторона OF — общая, и равны внутренние накрест лежащие углы 1 и 2 при пересечении параллельных прямых а и b секущей OF). Из равенства треугольников следует, что MF = ОВ. Аналогично доказывается, что каждая точка прямой b находится на том же расстоянии от прямой а.

Теорема доказана.

Определение. Расстоянием между двумя параллельными прямыми называется расстояние от произвольной точки одной из параллельных прямых до другой прямой.

Например, пусть прямая l проходит через вершину С треугольника ABC и параллельна его стороне АВ. Тогда расстояние между прямыми l и АВ равно длине отрезка CF, являющегося высотой треугольника ABC (рис. 122, б).

Правильная треугольная пирамида

Рассмотрим еще одну пространственную фигуру.

Проведем мысленный эксперимент. Представим, что часть листа бумаги, имеющая форму равностороннего треугольника, разбита на четыре части, каждая из которых имеет форму равностороннего треугольника (рис. 123, а). Такое разбиение осуществляют отрезки АВ, ВС и СА, которые соединяют середины сторон модели равностороннего треугольника.

Перегнем данную модель равностороннего треугольника по отрезкам АВ, ВС, СА и склеим так, чтобы вершины D₁, D₂ и D₃ совпали (рис. 123, б, в).

Фигура, состоящая из части пространства, ограниченной четырьмя равными равносторонними треугольниками DAB, DBC, DAC и ABC, и точек этих треугольников, называется тетраэдром (или правильным тетраэдром), который обозначается DABC (см. рис.123, в). Равносторонние треугольники DAB, DBC, DAC и ABC называются гранями тетраэдра, а их вершины и стороны — вершинами и ребрами тетраэдра.

Правильная треугольная пирамида — это многогранник, у которого одна грань ABC — равносторонний треугольник, а остальные три грани — равные равнобедренные треугольники SAB, SBC, SAC, имеющие общую вершину S (рис. 124, а). Равносторонний треугольник ABC называется основанием правильной треугольной пирамиды, а треугольники SAB, SBC, SAC — ее боковыми гранями. Общая вершина S треугольников SAB, SBC, SAC называется вершиной пирамиды, стороны SA, SB, SC — боковыми ребрами правильной треугольной пирамиды, а вершины А, В, С называются вершинами при основании пирамиды.

Треугольная пирамида, основанием которой служит равносторонний треугольник ABC, а вершиной — точка S, обозначается SABC.

Так как равносторонний треугольник является равнобедренным, то понятно, что любой тетраэдр служит примером правильной треугольной пирамиды.

Равенство фигур

Ранее мы изучили понятия равенства отрезков, углов и треугольников. Треугольники называются равными, если они совмещаются при наложении. Аналогично определяется и равенство произвольных геометрических фигур.

Представление о моделях двух равных прямоугольников дают, например, два одинаковых листа писчей бумаги или два листа одной и той же книги. Модели равных фигур более сложной формы получим, если от одинаковых листов бумаги прямоугольной формы отрежем части, имеющие форму равных прямоугольных треугольников, как показано на рисунке 124, б, в.

Легко проверить, что части F₁ и F₂, оставшиеся после отрезания, можно совместить наложением, что служит подтверждением их одинаковой формы и размеров.

Как и в случае треугольников, можно говорить о равенстве двух произвольных фигур в случае их совмещения при наложении.

Две геометрические фигуры называются равными, если их можно совместить наложением.

В общем случае при рассмотрении равных фигур пользуются следующими свойствами равных фигур:

1. любая фигура равна самой себе;
2. если фигура F₁ равна фигуре F₂, то фигура F₂  равна фигуре F₁;
3. если фигура F₁ равна фигуре F₂, а фигура F₂ равна фигуре F₃, то фигура F₁  равна фигуре F₃.

В предыдущих главах были изучены признаки равенства треугольников, расположенных в одной и той же плоскости. Заметим, что эти признаки справедливы и для треугольников, которые лежат в разных плоскостях.

Рассмотрим некоторые примеры. Пусть у нас есть развертка прямоугольного параллелепипеда, основаниями которого служат квадраты (рис. 125, а). На рисунке одинаковыми буквами обозначены точки, которые «склеиваются» в одну вершину параллелепипеда. Нетрудно понять, что отмеченные на развертке прямоугольные треугольники равны по двум катетам, а соответствующие им равные прямоугольные треугольники АА₁В₁ и D₁C₁C лежат в разных гранях прямоугольного параллелепипеда, а значит, — в разных плоскостях (рис. 125, б).

 

 В дальнейшем при решении некоторых задач мы будем пользоваться утверждением о том, что признаки равенства треугольников справедливы и для треугольников, расположенных в разных плоскостях.

Пример №1

Точка О — середина стороны А С равностороннего треугольника ABC. Вычислите расстояние от точки О до прямой ВС, если ВО = 8 см (рис. 126, а, б).

 

Дано:

АВС,

АВ = ВС = СА,

О  АС,

АО = ОС,

ВО = 8 см.

Вычислить: d(O, ВС).

Решение.

Расстояние от точки О до прямой ВС равно длине перпендикуляра, проведенного из точки О к прямой ВС.

1) Пусть OF — перпендикуляр, проведенный из точки О к прямой ВС, тогда d(O, ВС) равно длине отрезка OF, который является катетом прямоугольного треугольника BFO.

2) Так как треугольник ABC равносторонний, а значит, и равнобедренный (АВ = ВС), то его медиана ВО является биссектрисой. Так как градусная мера каждого угла равностороннего треугольника равна 60°, то  OBC =     ABC = 30°.

3) В прямоугольном треугольнике BFO ( OFB = 90°) катет OF лежит против угла в 30°, следовательно, OF =  В0 = 4 см, т. е. d(O, ВС) = 4 см.

Ответ: d(O, ВС) = 4 см. 
 

Пример №2

Точки О и F — соответственно середины ребер В С и АВ тетраэдра DABC. Докажите, что DO = CF (рис. 127, а, б).

 

Доказательство.

Для д оказательства равенства отрезков достаточно доказать равенство треугольников, сторонами которых являются эти отрезки. В данном случае можем рассмотреть треугольники AFC и BOD.

1) Так как точки О и F — середины сторон СВ и АВ равносторонних треугольников CBD и АСВ соответственно, то медианы DO и CF этих треугольников являются также и высотами. Следовательно, треугольники BOD и AFC являются прямоугольными.

2) Поскольку треугольники CBD и АСВ — равные и равносторонние, то  АС = BD и CAB = DBC = 60°.

3) Таким образом, прямоугольные треугольники BOD и AFC равны по гипотенузе и острому углу (AC = DB, FAC = OBD = 60°). Из равенства этих треугольников следует, что DO = CF, что и требовалось доказать.