Дан тетраэдр ABCD, все ребра которого равны 12. Точка М — середина ребра BD, точка Р делит ребро АС в отношении 5 : 7, считая от С. Найдите длину отрезка прямой, заключенного внутри тетраэдра, если эта прямая проходит через точку Р параллельно прямой СМ.
Для начала найдем координаты точек А, B, C и D. Пусть A0,0,00, 0, 00,0,0, B12,0,012, 0, 012,0,0, С6,3√3,06, 3√3, 06,3√3,0, D6,3√3,6√26, 3√3, 6√26,3√3,6√2.
Точка М является серединой ребра BD, поэтому ее координаты будут 9,0,3√29, 0, 3√29,0,3√2.
Так как точка P делит ребро AC в отношении 5:7, то мы можем найти координаты точки P: Px = 7<em>6+5</em>07<em>6 + 5</em>07<em>6+5</em>0 / 12 = 21/6 = 3.5, Py = 7<em>3√3+5</em>07<em>3√3 + 5</em>07<em>3√3+5</em>0 / 12 = 21√3 / 12 = 7√3 / 4, Pz = 7<em>0+5</em>07<em>0 + 5</em>07<em>0+5</em>0 / 12 = 0.
Теперь найдем уравнение прямой, проходящей через P и параллельной МС: x = 3.5 + t, y = 7√3 / 4 + kt, z = 0.
Подставим координаты точек M и C в уравнение прямой и найдем t и k: 9 = 3.5 + t, 0 = 7√3 / 4 + kt, 3√2 = 0.
Отсюда получаем t = 5.5, k = -2√3.
Теперь найдем координаты точки пересечения прямой и плоскости ABCD: x = 5.5, y = 7√3 / 4 - 2√3*5.5 = 7√3 / 4 - 11√3 = -4√3, z = 0.
С точками 5.5,−4√3,05.5, -4√3, 05.5,−4√3,0 и P3.5,7√3/4,03.5, 7√3 / 4, 03.5,7√3/4,0 мы можем найти длину отрезка прямой, заключенного внутри тетраэдра, с помощью формулы расстояния между двумя точками в пространстве: d = √(5.5−3.5)2+(−4√3−7√3/4)2+02(5.5 - 3.5)^2 + (-4√3 - 7√3 / 4)^2 + 0^2(5.5−3.5)2+(−4√3−7√3/4)2+02 = √22+(−(16√3+7√3)/4)22^2 + (-(16√3 + 7√3) / 4)^222+(−(16√3+7√3)/4)2 = √4+(9√3)2/164 + (9√3)^2 / 164+(9√3)2/16 = √4+243/164 + 243 / 164+243/16 = √259/16259 / 16259/16 = √259 / 4.
Итак, длина отрезка прямой, заключенной внутри тетраэдра, равна √259 / 4.
Для начала найдем координаты точек А, B, C и D. Пусть A0,0,00, 0, 00,0,0, B12,0,012, 0, 012,0,0, С6,3√3,06, 3√3, 06,3√3,0, D6,3√3,6√26, 3√3, 6√26,3√3,6√2.
Точка М является серединой ребра BD, поэтому ее координаты будут 9,0,3√29, 0, 3√29,0,3√2.
Так как точка P делит ребро AC в отношении 5:7, то мы можем найти координаты точки P:
Px = 7<em>6+5</em>07<em>6 + 5</em>07<em>6+5</em>0 / 12 = 21/6 = 3.5,
Py = 7<em>3√3+5</em>07<em>3√3 + 5</em>07<em>3√3+5</em>0 / 12 = 21√3 / 12 = 7√3 / 4,
Pz = 7<em>0+5</em>07<em>0 + 5</em>07<em>0+5</em>0 / 12 = 0.
Теперь найдем уравнение прямой, проходящей через P и параллельной МС:
x = 3.5 + t,
y = 7√3 / 4 + kt,
z = 0.
Подставим координаты точек M и C в уравнение прямой и найдем t и k:
9 = 3.5 + t,
0 = 7√3 / 4 + kt,
3√2 = 0.
Отсюда получаем t = 5.5, k = -2√3.
Теперь найдем координаты точки пересечения прямой и плоскости ABCD:
x = 5.5,
y = 7√3 / 4 - 2√3*5.5 = 7√3 / 4 - 11√3 = -4√3,
z = 0.
С точками 5.5,−4√3,05.5, -4√3, 05.5,−4√3,0 и P3.5,7√3/4,03.5, 7√3 / 4, 03.5,7√3/4,0 мы можем найти длину отрезка прямой, заключенного внутри тетраэдра, с помощью формулы расстояния между двумя точками в пространстве:
d = √(5.5−3.5)2+(−4√3−7√3/4)2+02(5.5 - 3.5)^2 + (-4√3 - 7√3 / 4)^2 + 0^2(5.5−3.5)2+(−4√3−7√3/4)2+02 = √22+(−(16√3+7√3)/4)22^2 + (-(16√3 + 7√3) / 4)^222+(−(16√3+7√3)/4)2 = √4+(9√3)2/164 + (9√3)^2 / 164+(9√3)2/16 = √4+243/164 + 243 / 164+243/16 = √259/16259 / 16259/16 = √259 / 4.
Итак, длина отрезка прямой, заключенной внутри тетраэдра, равна √259 / 4.