Задача по стереометрии. Дан куб ABCDA1B1C1D1. На ребрах AA1 и BC отмечены точки M и N соответственно, причем AM:MA1=2:1, а N – середина BC. Найдите сечение куба плоскостью DMN. Найдите точное расположение точки K.
Пусть сторона куба равна a, тогда координаты точек: A0,0,00,0,00,0,0, Ba,0,0a,0,0a,0,0, Ca,a,0a,a,0a,a,0, D0,a,00,a,00,a,0, A10,0,a0,0,a0,0,a, B1a,0,aa,0,aa,0,a, C1a,a,aa,a,aa,a,a, D10,a,a0,a,a0,a,a.
Так как AM:MA1=2:1, то точка M имеет координаты 0,0,2a/30, 0, 2a/30,0,2a/3.
Точка N - середина отрезка BC, поэтому ее координаты (a+a)/2,(0+a)/2,0(a+a)/2, (0+a)/2, 0(a+a)/2,(0+a)/2,0, то есть 3a/2,a/2,03a/2, a/2, 03a/2,a/2,0.
Теперь найдем уравнение плоскости DMN. Поскольку точка M лежит в плоскости DMN, вектор DM=0,0,2a/30, 0, 2a/30,0,2a/3, а вектор DN=3a/2,a/2,03a/2, a/2, 03a/2,a/2,0, то нормаль к плоскости DMN равна векторному произведению этих векторов: n = DM x DN = 0i+0j+2ak0i + 0j + 2ak0i+0j+2ak x 3a/2i+a/2j+0k3a/2i + a/2j + 0k3a/2i+a/2j+0k = 2a2/22a^2/22a2/2i - 3a2/23a^2/23a2/2j.
Так как плоскость проходит через точку D0,a,00, a, 00,a,0, то уравнение плоскости имеет вид: 2a^2/2x−0x-0x−0 - 3a^2/2y−ay-ay−a + 0z−0z-0z−0 = 0, a^2x - 3a^2y + 5a^2 = 0, x - 3y + 5a = 0.
Теперь найдем точку пересечения с ребром AD1. Подставим координаты точки D10,a,a0, a, a0,a,a в уравнение плоскости: 0 - 3a + 5a = 0, a = 0.
Таким образом, точка K имеет координаты 0,a,00, a, 00,a,0, то есть K лежит на ребре AD1 и расстояние от точки K до плоскости DMN равно 0.
Итак, точное расположение точки K - 0,a,00, a, 00,a,0.
Для начала найдем координаты точек M и N.
Пусть сторона куба равна a, тогда координаты точек:
A0,0,00,0,00,0,0,
Ba,0,0a,0,0a,0,0,
Ca,a,0a,a,0a,a,0,
D0,a,00,a,00,a,0,
A10,0,a0,0,a0,0,a,
B1a,0,aa,0,aa,0,a,
C1a,a,aa,a,aa,a,a,
D10,a,a0,a,a0,a,a.
Так как AM:MA1=2:1, то точка M имеет координаты 0,0,2a/30, 0, 2a/30,0,2a/3.
Точка N - середина отрезка BC, поэтому ее координаты (a+a)/2,(0+a)/2,0(a+a)/2, (0+a)/2, 0(a+a)/2,(0+a)/2,0, то есть 3a/2,a/2,03a/2, a/2, 03a/2,a/2,0.
Теперь найдем уравнение плоскости DMN. Поскольку точка M лежит в плоскости DMN, вектор DM=0,0,2a/30, 0, 2a/30,0,2a/3, а вектор DN=3a/2,a/2,03a/2, a/2, 03a/2,a/2,0, то нормаль к плоскости DMN равна векторному произведению этих векторов:
n = DM x DN = 0i+0j+2ak0i + 0j + 2ak0i+0j+2ak x 3a/2i+a/2j+0k3a/2i + a/2j + 0k3a/2i+a/2j+0k = 2a2/22a^2/22a2/2i - 3a2/23a^2/23a2/2j.
Так как плоскость проходит через точку D0,a,00, a, 00,a,0, то уравнение плоскости имеет вид:
2a^2/2x−0x-0x−0 - 3a^2/2y−ay-ay−a + 0z−0z-0z−0 = 0,
a^2x - 3a^2y + 5a^2 = 0,
x - 3y + 5a = 0.
Теперь найдем точку пересечения с ребром AD1. Подставим координаты точки D10,a,a0, a, a0,a,a в уравнение плоскости:
0 - 3a + 5a = 0,
a = 0.
Таким образом, точка K имеет координаты 0,a,00, a, 00,a,0, то есть K лежит на ребре AD1 и расстояние от точки K до плоскости DMN равно 0.
Итак, точное расположение точки K - 0,a,00, a, 00,a,0.