Перпендикулярность в пространстве

 

Расшифровка условных знаков:  
  

"⊂ " -  знак принадлежности; 
"⊥" - знак перпендикулярности;
"II" -  знак параллельности; 
"⋂" -  знак пересечения;
"⇒"   -  знак следования;
"∃"- знак существования.







Определения












Теорема " Связь параллельности прямых и их перпендикулярности в плоскости " 


 

1 случай : Если одна из двух параллельных  прямых перпендикулярна  плоскости, то и вторая перпендикулярна этой плоскости.



 

Доказательство:

 

1)Возьмем  с ⊂  α ;  

2) Так как  a ⊥ α,  с ⊂  α  следует , что a ⊥ c
( по определению перпендикулярности 
прямой и плоскости);

3) Так как  a ⊥ c , a II b  следует, что  b ⊥ c ( по лемме);

4) Мы взяли производную прямую с , поэтому
b ⊥ c  , с ⊂  α  следует, что b ⊥ α ( по определению). 



  


2 случай: Если две прямые перпендикулярны плоскости, то они параллельны.

 

 

 

 

Доказательство:


1)Предположим, что b ∦ a ;
O ∈ b, раз  b не параллельна  а , то можно провести через О прямую  b1 II a;

2) Так как b⋂α =B,  b1⋂α=B1,  b⋂b1=O следует, 
что  b, b1 ⊂ β ( по второму следствию) и  α⋂β=BB1 
( по 3 аксиоме);

3) b ⊥ α , BB1⊂α  ⇒ b  ⊥ BB1;

4) b1 II a,  a ⊥ α ⇒ b1 ⊥ α( по лемме) ⇒
b1⊥ BB1;

Таким образом через точку О проходят две прямые перпендикулярные прямой
BB1, что невозможно. Значит предположение неверно, 
и a II b.

Теорема доказана.






Теорема  «Признак перпендикулярности прямой и плоскости» 


Если прямая перпендикулярна двум пересекающимся прямым,  лежащих в этой плоскости, то 
она перпендикулярна этой плоскости.





Доказательство: 

1) Проведем произвольную прямую х , так что x II x1,  О ∈ х1, ОА=ОА1

2) Проведем прямую  у  , так что  у ⋂ c=С, у ⋂ x1 =  Х ,
 у ⋂  b=B

3) △ АСА1 : СО – медиана(ОА=ОА1 ) и высота ( с ⊥ а)  ⇒   
△ АСА1 – равнобедренный  ⇒ АС=А1С
Аналогично АВ=ВА1

4) АС=А1С , АВ=ВА1, ВС-общая ⇒ △А1ВС=△АВС ( по трем сторонам)  ⇒ ∠АСВ=∠ А1СВ (соответственно)

5) СХ-общая, АС=А1С (△ АСА1 – равнобедренный ),
 ∠АСХ=∠ А1СХ (∠АСВ=∠ А1СВ  одно и тоже) ⇒ 
 △АСХ=△ А1СХ ( по двум сторонам и углу между ними) ⇒ 
 △ А1Х А- равнобедренный с медианой ОХ  ⇒ ОХ так же высота  ⇒  ОХ ⊥ AА1⇒ x1⊥ а

6) x II x1, x1⊥ а ⇒ x⊥ а ( по лемме)

Так как х- произвольная прямая  ⇒  а ⊥ любой прямой, лежащей в плоскости α,  т.е.  а ⊥ α( по определению)
Теорема доказана.



Теорема о прямой, перпендикулярной к плоскости.


Через любую точку пространства проходит прямая, 
перпендикулярная к данной плоскости
 и притом только одна.






Доказательство: 

1)  Проведем в α произвольную прямую а. Проведем плоскость  β перпендикулярно а и проходящую через М. 
 β ⋂ α = b
В β проведем через точку М прямую с⊥b;

с⊥b , с⊥a  (β⊥a,  c ⊂ β) , b⋂a,  a,b⊂α  ⇒c⊥α ( по признаку перпендикулярности  прямой и плоскости) ⇒ с существует.

2) Предположим, что существует прямая,  проходящая через М и перпендикулярная α.  
с1⊥α , с⊥α  ⇒ с II с1 (по теореме о двух прямых перпендикулярных к плоскости)

 с⋂ с1, значит наше предположение неверно и   с – единственная.

Теорема доказана.



Теорема о трех перпендикулярах ( ТТП )


Прямая, лежащая в плоскости, перпендикулярна наклонной 
тогда и только тогда, когда эта прямая перпендикулярна проекции наклонной.



Доказательство:

1)

  • x ⊥ AB (по усл.);
  • x ⊥ AH(AH ⊥ α , x⊂α)  ⇒  
      ⇒ x ⊥ (АВH),   AB⋂AH=(АBH)   (по признаку  перпендикулярности прямой и плоскости(*))

2)    x ⊥ (АВH) ⇒ x ⊥ BH, так как BH ⊂ (ABH)


Доказательство (обратная теорема):


1)  x ⊥ BH(по усл.)
     x ⊥ AH(AH ⊥ α , x⊂α)   ⇒ x ⊥ (AВH)(*)
    AB ⋂AH=(АВH)


2)  x ⊥ (АВH) ⇒ x ⊥ AB, так как АB⊂ (ABH)


Теорема доказана.
 





Теорема косинусов для трехгранного угла 




 Доказательство: 

1) Рассмотрим △KON :
KN² =OK² + ON² - 2* ON* OK * cosβ

2) Рассмотрим △KMN:
KN² = KM² + MN² - 2 * KM * MN * cos∠KMN

3) OK² + ON² - 2 * ON * OK * cosβ = KM² + MN² - 2 * KM * MN * cos∠KMN

OK² - KM² + ON² - MN² + 2 * KM * MN * cos∠KMN = 2 * OK * ON * cosβ

OM² + OM² + 2 * KM * MN * cos∠KMN = 2 * OK * ON * cosβ   /2

OM * OM + KM * MN * cos∠KMN = OK * ON * cosβ     / ( OK * ON )

OM/OK * OM/ON + KM/OK * MN/ON * cos∠KMN = cosβ

4)   cosβ = cosφ * cosα + sinφ * sinα * cos∠KMN





Признак перпендикулярности двух плоскостей


Если одна из двух плоскостей проходит через прямую, перпендикулярную к другой плоскости, то такие плоскости перпендикулярны.





 Доказательство:


1) β ⋂ α = АС

2) АВ⊥ α,   АС ⊂ α  ⇒  АВ ⊥ АС (по опр.)

3) Построим АD ⊥ AC, AD ⊂ α

4) ∠BAD=∠BACD

5) АВ⊥ α,   AD ⊂ α  ⇒ АВ ⊥ AD ( по опр.)

6) АВ ⊥ AD ⇒ ∠BAD=90°=∠BACD ⇒ β⊥ α .
Теорема доказана.
 
 




Лемма о перпендикулярности двух прямых к третьей




Если одна из двух параллельных прямых перпендикулярна к третьей, то и другая прямая перпендикулярна третьей.






Доказательство: 


1) Через О построим прямые ОА II а, ОС II с , они лежат в плоскости

2)∠СОА=90°, так как a⊥c

3)    Так как a II b( по усл.), ОА II а( по постр.) ⇒ b II ОА ( по т. о транзитивности прямых)

4)    Так как a ⊥ c, ОА II  а, ОС II с  ⇒ ОА ⊥ ОС

5)ОА ⊥ ОС , b II ОА, ОС II с ⇒ b ⊥ c

Теорема доказана.




Успехов!