Дан тетраэдр ABCD, в котором AB ⟂ AC, AC ⟂ AD и AB ⟂ AD (три ребра, исходящие из A, попарно перпендикулярны). Исследуйте положение ортогональной проекции вершины D на плоскость ABC: найдите её координаты в подходящей системе, изучите зависимости от длин ребер и сформулируйте геометрические свойства этого прообраза
Поставим ортонормированную систему координат так, чтобы вершина AAA была в начале, векторы AB→,AC→,AD→ \overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC},\overrightarrow{AD}AB,AC,AD шли вдоль осей x,y,zx,y,zx,y,z. Обозначим длины ребер от AAA через AB=b,AC=c,AD=d.
AB=b,\qquad AC=c,\qquad AD=d. AB=b,AC=c,AD=d.
Тогда координаты вершин можно взять A=(0,0,0),B=(b,0,0),C=(0,c,0),D=(0,0,d).
A=(0,0,0),\quad B=(b,0,0),\quad C=(0,c,0),\quad D=(0,0,d). A=(0,0,0),B=(b,0,0),C=(0,c,0),D=(0,0,d). Плоскость ABCABCABC задаётся уравнением z=0 \;z=0\;z=0. Ортогональная проекция точки DDD на эту плоскость есть сбрасывание zzz-координаты, т.е. projABC(D)=(0,0,0)=A.
\operatorname{proj}_{ABC}(D)= (0,0,0)=A. projABC(D)=(0,0,0)=A. Следствия и геометрические свойства: - Так как AD→\overrightarrow{AD}AD перпендикулярен и AB→,AC→\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC}AB,AC, то AD→\overrightarrow{AD}AD нормаль к плоскости ABCABCABC; потому проекция DDD на ABCABCABC единственна и равна AAA. - Расстояние от DDD до плоскости ABCABCABC равно длине ADADAD: dist(D,ABC)=AD=d\operatorname{dist}(D,ABC)=AD=ddist(D,ABC)=AD=d. - В треугольнике ABCABCABC угол при AAA прямой (∠BAC=90∘\angle BAC=90^\circ∠BAC=90∘), гипотенуза BCBCBC имеет длину BC=b2+c2 \;BC=\sqrt{b^2+c^2}\;BC=b2+c2. - Проекция не зависит от bbb и ccc: для любых положительных b,cb,cb,c при условии AB⊥ACAB\perp ACAB⊥AC и AD⊥AD\perpAD⊥ обоим им образ проекции DDD на ABCABCABC всегда совпадает с AAA. - Геометрически это означает: тетраэдр с тремя попарно перпендикулярными ребрами из одной вершины (т.н. трипрямой тетраэдр) имеет противоположную грань ABCABCABC, на которую вершина DDD проецируется в вершину AAA; отрезок ADADAD — высота тетраэдра, перпендикуляр ко всей грани ABCABCABC. Таким образом, положение проекции тривиально: это точка AAA; её координаты и все перечисленные зависимости выражаются выше через b,c,db,c,db,c,d.
AB=b,AC=c,AD=d. AB=b,\qquad AC=c,\qquad AD=d.
AB=b,AC=c,AD=d. Тогда координаты вершин можно взять
A=(0,0,0),B=(b,0,0),C=(0,c,0),D=(0,0,d). A=(0,0,0),\quad B=(b,0,0),\quad C=(0,c,0),\quad D=(0,0,d).
A=(0,0,0),B=(b,0,0),C=(0,c,0),D=(0,0,d).
Плоскость ABCABCABC задаётся уравнением z=0 \;z=0\;z=0. Ортогональная проекция точки DDD на эту плоскость есть сбрасывание zzz-координаты, т.е.
projABC(D)=(0,0,0)=A. \operatorname{proj}_{ABC}(D)= (0,0,0)=A.
projABC (D)=(0,0,0)=A.
Следствия и геометрические свойства:
- Так как AD→\overrightarrow{AD}AD перпендикулярен и AB→,AC→\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC}AB,AC, то AD→\overrightarrow{AD}AD нормаль к плоскости ABCABCABC; потому проекция DDD на ABCABCABC единственна и равна AAA.
- Расстояние от DDD до плоскости ABCABCABC равно длине ADADAD: dist(D,ABC)=AD=d\operatorname{dist}(D,ABC)=AD=ddist(D,ABC)=AD=d.
- В треугольнике ABCABCABC угол при AAA прямой (∠BAC=90∘\angle BAC=90^\circ∠BAC=90∘), гипотенуза BCBCBC имеет длину BC=b2+c2 \;BC=\sqrt{b^2+c^2}\;BC=b2+c2 .
- Проекция не зависит от bbb и ccc: для любых положительных b,cb,cb,c при условии AB⊥ACAB\perp ACAB⊥AC и AD⊥AD\perpAD⊥ обоим им образ проекции DDD на ABCABCABC всегда совпадает с AAA.
- Геометрически это означает: тетраэдр с тремя попарно перпендикулярными ребрами из одной вершины (т.н. трипрямой тетраэдр) имеет противоположную грань ABCABCABC, на которую вершина DDD проецируется в вершину AAA; отрезок ADADAD — высота тетраэдра, перпендикуляр ко всей грани ABCABCABC.
Таким образом, положение проекции тривиально: это точка AAA; её координаты и все перечисленные зависимости выражаются выше через b,c,db,c,db,c,d.