ГлавнаяЕГЭ Математика (профиль)Задание 14Угол между скрещивающимися прямыми

Угол между скрещивающимися прямыми: задание 14 ЕГЭ профиль

Задачи (27)

Ответы кратко — все задачи подтемы
№УсловиеОтвет
507634Длина ребра правильного тетраэдра ABCD равна 1. Точка M — середина ребра BC, точка L — сер…arccos 1/6.
513276В правильной четырёхугольной пирамиде SABCD с вершиной S сторона основания равна 8. Точка …192
507788Сторона основания правильной треугольной призмы ABCA1B1C1 равна 8. Высота этой призмы равн…2 arcsin 2√(3)/5 или arccos 1/25.
507791В основании прямой призмы ABCA1B1C1 лежит равнобедренный прямоугольный треугольник ABC с г…2 arcsin 2√(2)/5 или arccos 9/25.
509423В пирамиде DABC прямые, содержащие ребра DC и AB, перпендикулярны.а) Постройте сечение пло…arccos 119/169.
500112Точка E — середина ребра CC1 куба ABCDA1B1C1D1. а) Докажите, что угол между прямыми BE и A…arctg 1/2.
500213На ребре CC1 куба ABCDA1B1C1D1 отмечена точка E так, что CE : EC1 = 1 : 2. а) Пусть точка …arccos 2√(30)/15. Аналоги к заданию № 500213: 500387 Все
505387Боковое ребро правильной треугольной пирамиды SABC равно 6, а косинус угла ASB при вершине…1/3√(41).
484563В правильном тетраэдре ABCD проведена высота DH. K — середина отрезка CH. BM — медиана бок…arccos √(2)/3.
484567Дана правильная шестиугольная пирамида SABCDEF.а) Докажите, что угол между прямыми SB и CD…60 °.
484569В правильной четырехугольной пирамиде PABCD проведена высота PH. N — середина отрезка AH, …\angle BMN= arccos √(6)/6.
507816Дана правильная шестиугольная призма ABCDEFA1B1C1D1E1F1 все рёбра которой равны 1.а) Докаж…0,75
515782В правильной треугольной призме ABCA1B1C1 все рёбра равны 1.а) Докажите, что прямая AB1 па…б) 1/4.
520995В правильном тетраэдре АВСD точка Н — центр грани АВС, а точка М — середина ребра СD.а) До…б) arccos √(2)/3.
551762В основании прямой призмы АВСDA1В1С1D1 лежит равнобедренная трапеция АВСD c основаниями AD…б) arccos √(35)/14.
560731Основание пирамиды DABC — прямоугольный треугольник АВС с прямым углом при вершине С. Высо…б) arctg 4√(2)/3.
624081В правильной шестиугольной пирамиде SABCDEF с вершиной S в грани SBC проведена высота SH, …б) arccos 5/8.
626505В основании пирамиды ABCD лежит правильный треугольник ABC. Все боковые ребра наклонены к …б) 9√(13)/5.
628135В прямоугольном параллелепипеде ABCDA1B1C1D1 известны ребра BC = 5 и AB = AA1 = 8, M и N —…б) 20√(34)/51.
629306В правильной четырехугольной пирамиде SABCD боковое ребро SA = 5, а высота SO= √(15). Точк…б) 1
633752В кубе ABCDA1B1C1D1 отмечены середины P и E отрезков AB и AD соответственно.а) Докажите, ч…б) d (B_1E, CP) = 10/3.
637818В основании четырёхугольной пирамиды SABCD лежит прямоугольник ABCD со сторонами AB = 5 и …6) arccos 1/36.
637847В основании четырёхугольной пирамиды SABCD лежит прямоугольник ABCD со сторонами AB = 6 и …б) arccos 11/35.
642158В правильной четырехугольной пирамиде SABCD с вершиной S точка К лежит на ребре SC и делит…б) arccos 3√(5)/10.
647165В прямоугольном параллелепипеде ABCDA1B1C1D1 диагонали пересекаются в точке О. Точки М и N…б) 9/√(17).
647806Дана пирамида SABC, в которой AB = AC = SB = SC = 17 и BC = SA = 16. Точки М и N — середин…б) 32√(161)/3.
652136В правильной четырёхугольной пирамиде SABCD сторона основания AD = 12, а высота равна 3. Н…б) 8√(5)/5.

О чём эта подтема

В задании 14 профильного ЕГЭ вторая часть многих задач про многогранники и пирамиды сводится к нахождению угла между двумя прямыми, которые не пересекаются и не параллельны — то есть скрещивающимися. Такие прямые лежат в пространстве, но не имеют общей плоскости, поэтому угол между ними определяется через параллельный перенос одной из прямых или через направляющие векторы. Эта подтема почти всегда встречается как пункт б) задачи, где в пункте а) нужно что-то доказать (например, свойство сечения или перпендикулярность), а в пункте б) — вычислить числовой ответ: угол, его косинус, тангенс или площадь фигуры, зависящую от найденного параметра.

Что нужно знать

  • Определение: угол между скрещивающимися прямыми aa и bb — это угол между прямыми a′a' и b′b', пересекающимися в одной точке, где a′∥aa'\parallel a, b′∥bb'\parallel b. Величина угла лежит от 0∘0^\circ до 90∘90^\circ, то есть всегда берём острый угол (или прямой).
  • Векторная формула: если a⃗\vec{a} и b⃗\vec{b} — направляющие векторы прямых, то cos⁡φ=∣a⃗⋅b⃗∣∣a⃗∣ ∣b⃗∣.\cos\varphi=\frac{|\vec{a}\cdot\vec{b}|}{|\vec{a}|\,|\vec{b}|}. Модуль в числителе обязателен — он гарантирует острый угол независимо от направления векторов.
  • Метод координат: после введения системы координат вершины фигуры получают числовые координаты, направляющие векторы находятся как разность координат конца и начала отрезка.
  • Синтетический метод: через вспомогательную точку строится прямая, параллельная второй прямой, тогда угол между скрещивающимися прямыми превращается в угол плоского треугольника, который находится по теореме косинусов: cos⁡φ=p2+q2−r22pq.\cos\varphi=\frac{p^2+q^2-r^2}{2pq}.
  • Свойства опорных фигур: медиана равностороннего треугольника со стороной aa равна a32\frac{a\sqrt3}{2}; средняя линия треугольника равна половине стороны и параллельна ей; в правильном тетраэдре и правильной пирамиде высота находится из прямоугольного треугольника «высота — расстояние от центра основания до вершины — боковое ребро».
  • Переход между тригонометрическими функциями угла: cos⁡2φ=11+tan⁡2φ\cos^2\varphi=\dfrac{1}{1+\tan^2\varphi} — удобно, если в условии дан тангенс.

Как решать: метод и алгоритм

Оптимальный путь в задании 14 — координатный метод, он даёт минимум ошибок при сложной геометрии.

  1. Выбрать систему координат, привязанную к симметрии фигуры (центр основания, вершина прямого угла и т. п.).
  2. Найти координаты всех нужных точек, включая середины ребер и точки пересечения.
  3. Составить направляющие векторы обеих скрещивающихся прямых как разность координат.
  4. Вычислить скалярное произведение и длины векторов, подставить в формулу косинуса угла, взять модуль числителя.
  5. Если дан тангенс или синус угла и нужно найти неизвестную величину (например, высоту пирамиды), выразить cos⁡2φ\cos^2\varphi через tan⁡2φ\tan^2\varphi и составить уравнение относительно неизвестной.
  6. Оформить ответ: если требуется угол — записать через арккосинус или арктангенс; если требуется другая величина (площадь, объём) — довести вычисления до числа.

Если координаты неудобны, используют синтетический перенос: через точку строят отрезок, параллельный одной из прямых, находят стороны получившегося треугольника и применяют теорему косинусов.

Разбор примера

Пример 1. Ребро правильного тетраэдра ABCDABCD равно 1, MM — середина BCBC, LL — середина ABAB.

Пункт а). Нужно доказать, что плоскость, содержащая DMDM и параллельная CLCL, пересекает ABAB в точке, делящей его в отношении 3:13:1 от AA. Работаем в плоскости основания ABCABC. Введём координаты: A(0;0)A(0;0), B(1;0)B(1;0), C(12;32)C\left(\frac12;\frac{\sqrt3}{2}\right). Тогда L(12;0)L\left(\frac12;0\right), M(34;34)M\left(\frac34;\frac{\sqrt3}{4}\right). Прямая CLCL — вертикальная прямая x=12x=\frac12 (у CC и LL одинаковая абсцисса). Прямая через MM, параллельная CLCL, — вертикальная прямая x=34x=\frac34; она пересекает ABAB в точке K(34;0)K\left(\frac34;0\right). Значит, AK=34AK=\frac34, KB=14KB=\frac14, отношение AK:KB=3:1AK:KB=3:1, что и требовалось доказать. Плоскость DMKDMK содержит DMDM и параллельна CLCL, так как содержит прямую MK∥CLMK\parallel CL, а сама CLCL не лежит в этой плоскости.

Пункт б). Достроим точку DD над центром основания. Центроид треугольника ABCABC: G(12;36)G\left(\frac12;\frac{\sqrt3}{6}\right), AG=13AG=\frac{1}{\sqrt3}. Высота тетраэдра: h2+(13)2=12h^2+\left(\frac{1}{\sqrt3}\right)^2=1^2, откуда h=23h=\sqrt{\frac23}. Тогда D(12;36;23)D\left(\frac12;\frac{\sqrt3}{6};\sqrt{\frac23}\right).

Вектор DM⃗=M−D=(14;312;−23)\vec{DM}=M-D=\left(\frac14;\frac{\sqrt3}{12};-\sqrt{\frac23}\right), его длина ∣DM⃗∣=116+3144+23=32|\vec{DM}|=\sqrt{\frac{1}{16}+\frac{3}{144}+\frac23}=\frac{\sqrt3}{2} — это медиана равностороннего треугольника DBCDBC со стороной 1.

Вектор CL⃗=L−C=(0;−32;0)\vec{CL}=L-C=\left(0;-\frac{\sqrt3}{2};0\right), его длина 32\frac{\sqrt3}{2} — медиана треугольника ABCABC.

Скалярное произведение: DM⃗⋅CL⃗=0−312⋅32−0=−18\vec{DM}\cdot\vec{CL}=0-\frac{\sqrt3}{12}\cdot\frac{\sqrt3}{2}-0=-\frac18.

Отсюда cos⁡φ=∣−18∣32⋅32=1834=16\cos\varphi=\dfrac{\left|-\frac18\right|}{\frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt3}{2}}=\dfrac{\frac18}{\frac34}=\frac16.

Угол между DMDM и CLCL равен arccos⁡16\arccos\frac16 — совпадает с ответом задачи.

Пример 2. Правильная четырёхугольная пирамида SABCDSABCD со стороной основания 8, LL — середина SCSC, известно tan⁡φ=225\tan\varphi=2\sqrt{\frac25}, где φ\varphi — угол между BLBL и SASA.

Пункт а). Докажем BO⊥LOBO\perp LO, где OO — центр основания. Поместим OO в начало координат, S(0;0;h)S(0;0;h), A(−4;−4;0)A(-4;-4;0), B(4;−4;0)B(4;-4;0), C(4;4;0)C(4;4;0). Так как OSOS перпендикулярна плоскости основания, OS⊥OBOS\perp OB. Диагонали квадрата ACAC и BDBD перпендикулярны, поэтому OB⊥OCOB\perp OC. Значит, OBOB перпендикулярна двум пересекающимся прямым плоскости SOCSOC — OCOC и OSOS — и следовательно, OBOB перпендикулярна всей этой плоскости. Точка LL, середина SCSC, лежит в плоскости SOCSOC, поэтому OL⊂OL\subset плоскости SOCSOC, откуда BO⊥LOBO\perp LO. Доказательство не зависит от высоты пирамиды.

Пункт б). L=(2;2;h2)L=\left(2;2;\frac h2\right). Вектор BL⃗=L−B=(−2;6;h2)\vec{BL}=L-B=\left(-2;6;\frac h2\right), вектор SA⃗=A−S=(−4;−4;−h)\vec{SA}=A-S=(-4;-4;-h).

BL⃗⋅SA⃗=8−24−h22=−16−h22,\vec{BL}\cdot\vec{SA}=8-24-\frac{h^2}{2}=-16-\frac{h^2}{2}, ∣BL⃗∣=40+h24,∣SA⃗∣=32+h2.|\vec{BL}|=\sqrt{40+\frac{h^2}{4}},\qquad |\vec{SA}|=\sqrt{32+h^2}.

Из tan⁡φ=225\tan\varphi=2\sqrt{\frac25} получаем tan⁡2φ=85\tan^2\varphi=\frac85, тогда cos⁡2φ=11+tan⁡2φ=513\cos^2\varphi=\dfrac{1}{1+\tan^2\varphi}=\dfrac{5}{13}.

Обозначим x=h2x=h^2 и составим уравнение: (16+x2)2(40+x4)(32+x)=513.\frac{\left(16+\frac{x}{2}\right)^2}{\left(40+\frac{x}{4}\right)(32+x)}=\frac{5}{13}.

После упрощения дробь слева сводится к 32+x160+x\dfrac{32+x}{160+x}, поэтому 13(32+x)=5(160+x) ⇒ 8x=384 ⇒ x=48.13(32+x)=5(160+x)\ \Rightarrow\ 8x=384\ \Rightarrow\ x=48.

Значит, h2=48h^2=48, h=43h=4\sqrt3. Расстояние от OO до середины стороны основания равно 4, поэтому апофема боковой грани l=h2+16=64=8l=\sqrt{h^2+16}=\sqrt{64}=8.

Площадь боковой поверхности: Sбок=4⋅12⋅8⋅8=128S_{\text{бок}}=4\cdot\frac12\cdot8\cdot8=128. Площадь основания: Sосн=64S_{\text{осн}}=64. Итого Sполн=128+64=192S_{\text{полн}}=128+64=192 — совпадает с ответом задачи.

Типичные ошибки

  • Забывают взять модуль числителя в формуле косинуса и получают отрицательный косинус или «тупой» угол, хотя угол между скрещивающимися прямыми всегда острый или прямой.
  • Путают угол между прямыми с углом между векторами: направление вектора выбирается произвольно, а результат не должен зависеть от выбора — модуль в формуле решает эту проблему.
  • Неудачно выбирают систему координат: если центр фигуры не совмещён с началом координат, вычисления усложняются и растёт риск арифметической ошибки.
  • Неверно находят высоту пирамиды или тетраэдра — забывают, что она ищется через прямоугольный треугольник с расстоянием от центра до вершины основания, а не с половиной стороны.
  • При переходе от тангенса угла к косинусу забывают формулу cos⁡2φ=11+tan⁡2φ\cos^2\varphi=\dfrac{1}{1+\tan^2\varphi} и пытаются искать угол напрямую, усложняя алгебру.
  • Не проверяют геометрический смысл результата: отрицательная длина или отношение больше единицы должны сразу насторожить.

На что обратить внимание на экзамене

Перед вычислениями отметьте, какие точки и прямые задействованы, и сразу решите, удобно ли поставить координаты в центр симметрии фигуры — почти всегда да. При решении через координаты не сокращайте промежуточные шаги: выписывайте координаты всех точек явно, это экономит время при проверке. Формулу с модулем в числителе стоит запомнить наизусть, чтобы не тратить время на рассуждения о знаке. Если в условии дан тангенс, синус или косинус угла и нужно найти неизвестный параметр фигуры, сразу переводите заданную величину в cos⁡2φ\cos^2\varphi — это самый быстрый путь к уравнению. Внимательно читайте, что именно спрашивают в пункте б): угол через арккосинус/арктангенс или числовую величину (площадь, объём), которая зависит от найденного параметра.

Частые вопросы

Почему угол между скрещивающимися прямыми всегда острый или прямой?

По определению угол между скрещивающимися прямыми — это угол между их направляющими, пересекающимися после параллельного переноса, и по договорённости берётся меньший из двух образующихся углов, то есть от 0° до 90°. В формуле косинуса это обеспечивается модулем скалярного произведения векторов.

Как быстро перейти от тангенса угла к косинусу, если нужно найти неизвестный параметр фигуры?

Используйте тождество cos⁡2φ=11+tan⁡2φ\cos^2\varphi=\dfrac{1}{1+\tan^2\varphi}: подставьте квадрат данного тангенса, получите числовое значение cos⁡2φ\cos^2\varphi, а затем составьте уравнение, приравняв это значение выражению для косинуса угла через координаты векторов.

Всегда ли выгоднее использовать координатный метод, а не синтетическое построение?

Координатный метод почти всегда безопаснее, потому что превращает геометрическую задачу в алгебраическую и снижает риск ошибиться в построении. Синтетический перенос удобен, если фигура симметрична и параллельный отрезок легко находится без вычислений, например через среднюю линию треугольника.

Как выбрать систему координат для правильной пирамиды или тетраэдра?

Центр основания (или центроид) удобно поместить в начало координат, ось симметрии направить по одной оси, а вершину пирамиды расположить на этой оси на высоте, найденной из прямоугольного треугольника с радиусом окружности, описанной около основания.

Что делать, если в задаче угол между прямыми дан, а нужно найти длину ребра или высоту?

Составьте выражение для косинуса (или его квадрата через тангенс) через направляющие векторы, содержащие неизвестную величину, и решите полученное алгебраическое уравнение относительно этой неизвестной, как показано в примере с пирамидой.