Evaluarea Națională

Teorema celor trei perpendiculare; calculul distanțelor punct–dreaptă și punct–plan

Distanța de la un punct la o dreaptă, notată d(M,g)d(M, g), este lungimea segmentului [MB][MB], unde BB este piciorul perpendicularei duse din MM pe dreapta gg. Distanța de la un punct la un plan, notată d(M,α)d(M, \alpha), este lungimea segmentului [MO][MO], unde OO este piciorul perpendicularei duse din MM pe planul α\alpha (adică MOαMO \perp \alpha). Aceasta este cea mai scurtă dintre distanțele de la MM la punctele planului: orice alt segment MPMP, cu PαP \in \alpha, este o oblică și MP>MOMP > MO. Distanța dintre două plane paralele este distanța de la un punct oarecare al unui plan la celălalt plan; în corpurile studiate ea se măsoară pe o muchie perpendiculară pe ambele plane — de exemplu, în cub d((ABCD),(ABCD))=AAd((ABCD), (A'B'C'D')) = AA'.

Teorema celor trei perpendiculare (T3P)

Enunț. Dacă MOαMO \perp \alpha, OαO \in \alpha, iar OBgOB \perp g, unde gαg \subset \alpha și BgB \in g, atunci MBgMB \perp g.

Demonstrație. Din MOαMO \perp \alpha și gαg \subset \alpha rezultă MOgMO \perp g. Prin construcție, OBgOB \perp g. Dreptele MOMO și OBOB sunt concurente în OO, deci g(MOB)g \perp (MOB). Cum MB(MOB)MB \subset (MOB), rezultă gMBg \perp MB. ∎

Cele „trei perpendiculare” sunt: MOαMO \perp \alpha (perpendiculara pe plan), OBgOB \perp g (perpendiculara din picior pe dreaptă) și concluzia MBgMB \perp g (oblica perpendiculară pe dreaptă).

Reciproca 1. Dacă MOαMO \perp \alpha și MBgMB \perp g (gαg \subset \alpha, BgB \in g), atunci OBgOB \perp g. (Demonstrație analoagă: gMOg \perp MO și gMBg \perp MB dau g(MOB)g \perp (MOB), deci gOBg \perp OB.)

Reciproca 2. Dacă MBgMB \perp g, OBgOB \perp g și MOOBMO \perp OB (cu OαO \in \alpha, gαg \subset \alpha, BgB \in g), atunci MOαMO \perp \alpha. (Din gMBg \perp MB și gOBg \perp OB rezultă g(MOB)g \perp (MOB), deci gMOg \perp MO; cum și MOOBMO \perp OB, dreapta MOMO este perpendiculară pe două drepte concurente din α\alpha, deci MOαMO \perp \alpha.)

Metoda de calcul: distanța de la un punct la o dreaptă

  1. Identificăm perpendiculara pe plan: găsim MOαMO \perp \alpha, unde α\alpha este planul care conține dreapta gg (de regulă o muchie sau o înălțime a corpului).
  2. Construim din picior perpendiculara pe dreaptă: ducem OBgOB \perp g, BgB \in g, și o calculăm în planul α\alpha (geometrie plană!).
  3. Aplicăm T3P: MBgMB \perp g, deci d(M,g)=MBd(M, g) = MB, calculată cu teorema lui Pitagora în triunghiul dreptunghic MOBMOB (MOB=90\angle MOB = 90^\circ, pentru că MOαMO \perp \alpha și OBαOB \subset \alpha).

Metoda de calcul: distanța de la un punct la un plan

Schema standard pentru d(M,β)d(M, \beta): căutăm o dreaptă gβg \subset \beta și un plan auxiliar γ\gamma care conține punctul MM, astfel încât gγg \perp \gamma (arătăm că gg este perpendiculară pe două drepte concurente din γ\gamma). Atunci βγ\beta \perp \gamma, iar perpendiculara din MM pe dreapta de intersecție βγ\beta \cap \gamma, fie ea MHMH, este perpendiculară pe tot planul β\beta: într-adevăr, MHβγMH \perp \beta \cap \gamma (construcție) și MHgMH \perp g (căci gγMHg \perp \gamma \supset MH), adică MHMH e perpendiculară pe două drepte concurente din β\beta. Deci d(M,β)=MHd(M, \beta) = MH, care se calculează de obicei ca înălțime în triunghi dreptunghic: h=c1c2iph = \dfrac{c_1 \cdot c_2}{ip}.

Metoda ariilor/volumelor (echivalarea volumelor)

Dacă MM și planul β\beta determină un tetraedru MABCMABC cu A,B,CβA, B, C \in \beta, volumul lui se poate scrie în două moduri: V=AABCd(M,(ABC))3V = \dfrac{\mathcal{A}_{ABC} \cdot d(M, (ABC))}{3} și, alegând altă față ca bază, V=Abhb3V = \dfrac{\mathcal{A}_{b} \cdot h_b}{3} cu o înălțime ușor de văzut (adesea o muchie perpendiculară pe o față). Egalând, obținem d(M,(ABC))=3VAABCd(M, (ABC)) = \dfrac{3V}{\mathcal{A}_{ABC}}. Metoda evită construcția piciorului perpendicularei și este acceptată integral la barem — orice metodă corectă primește punctaj maxim.

Formule

  • Teorema celor trei perpendiculare (directă): MOα, OBg, gα, Bg  MBgMO \perp \alpha,\ OB \perp g,\ g \subset \alpha,\ B \in g \ \Rightarrow\ MB \perp g

  • Reciproca 1 a T3P: MOα, MBg  OBgMO \perp \alpha,\ MB \perp g \ \Rightarrow\ OB \perp g

  • Reciproca 2 a T3P: MBg, OBg, MOOB  MOαMB \perp g,\ OB \perp g,\ MO \perp OB \ \Rightarrow\ MO \perp \alpha

  • Criteriul perpendicularității dreaptă–plan: da, db, ab={O}, a,bα  dαd \perp a,\ d \perp b,\ a \cap b = \{O\},\ a, b \subset \alpha \ \Rightarrow\ d \perp \alpha

  • Distanța de la un punct la un plan (definiție): d(M,α)=MO, unde MOα, Oαd(M, \alpha) = MO, \ \text{unde } MO \perp \alpha,\ O \in \alpha

  • Metoda volumelor (distanța punct–plan): d(M,(ABC))=3VMABCAABCd(M, (ABC)) = \frac{3V_{MABC}}{\mathcal{A}_{ABC}}

  • Înălțimea în triunghiul dreptunghic: h=c1c2iph = \frac{c_1 \cdot c_2}{ip}

  • Teorema lui Pitagora: ip2=c12+c22ip^2 = c_1^2 + c_2^2

  • Diagonala feței cubului / diagonala cubului (muchia l): df=l2,d=l3d_f = l\sqrt{2}, \quad d = l\sqrt{3}

  • Distanța de la un vârf al cubului la planul celor trei diagonale de fețe vecine: d(B,(ABC))=l33d(B, (AB'C)) = \frac{l\sqrt{3}}{3}

  • Apotema piramidei regulate: ap2=h2+ab2a_p^2 = h^2 + a_b^2

  • Înălțimea triunghiului echilateral (latura l): h=l32h = \frac{l\sqrt{3}}{2}

  • Volumul tetraedrului regulat (muchia l): V=l3212,h=l63V = \frac{l^3\sqrt{2}}{12}, \quad h = \frac{l\sqrt{6}}{3}

  • Volumul piramidei: V=Abh3V = \frac{\mathcal{A}_b \cdot h}{3}

Exemple rezolvate

Exemplul 1

Pătratul ABCDABCD are latura AB=6AB = 6 cm. Punctul MM este situat astfel încât MA(ABCD)MA \perp (ABCD) și MA=32MA = 3\sqrt{2} cm. Calculați distanța de la punctul MM la dreapta BDBD.

Pasul 1 — perpendiculara pe plan: MA(ABCD)MA \perp (ABCD), cu piciorul în AA.

Pasul 2 — perpendiculara din picior pe dreaptă: fie OO centrul pătratului, O=ACBDO = AC \cap BD. Diagonalele pătratului sunt perpendiculare, deci AOBDAO \perp BD, cu OBDO \in BD.

Pasul 3 — T3P: din MA(ABCD)MA \perp (ABCD) și AOBDAO \perp BD rezultă, conform teoremei celor trei perpendiculare, MOBDMO \perp BD. Prin urmare d(M,BD)=MOd(M, BD) = MO.

Calcul metric: AC=AB2=62AC = AB\sqrt{2} = 6\sqrt{2} cm, deci AO=AC2=32AO = \dfrac{AC}{2} = 3\sqrt{2} cm. Triunghiul MAOMAO este dreptunghic în AA (pentru că MA(ABCD)MA \perp (ABCD) și AO(ABCD)AO \subset (ABCD)), deci, cu teorema lui Pitagora: MO=MA2+AO2=(32)2+(32)2=18+18=36=6 cm.MO = \sqrt{MA^2 + AO^2} = \sqrt{(3\sqrt{2})^2 + (3\sqrt{2})^2} = \sqrt{18 + 18} = \sqrt{36} = 6 \text{ cm}.

Concluzie: d(M,BD)=6d(M, BD) = 6 cm.

Exemplul 2

Cubul ABCDABCDABCDA'B'C'D' are muchia de 44 cm. Calculați distanța de la vârful BB la planul diagonal (ACCA)(ACC'A').

Construcția perpendicularei: fie O=ACBDO = AC \cap BD centrul bazei. Arătăm că BO(ACCA)BO \perp (ACC'A').

  • BOACBO \perp AC, pentru că diagonalele pătratului ABCDABCD sunt perpendiculare;
  • AA(ABCD)AA' \perp (ABCD) (muchie laterală a cubului), iar BO(ABCD)BO \subset (ABCD), deci AABOAA' \perp BO, adică BOAABO \perp AA'.

Dreptele ACAC și AAAA' sunt concurente în AA și ambele sunt incluse în planul (ACCA)(ACC'A'). Conform criteriului perpendicularității dreaptă–plan, BO(ACCA)BO \perp (ACC'A'), deci piciorul perpendicularei din BB pe plan este OO și d(B,(ACCA))=BOd(B, (ACC'A')) = BO.

Calcul metric: BD=AB2=42BD = AB\sqrt{2} = 4\sqrt{2} cm, deci d(B,(ACCA))=BO=BD2=422=22 cm2,83 cm.d(B, (ACC'A')) = BO = \frac{BD}{2} = \frac{4\sqrt{2}}{2} = 2\sqrt{2} \text{ cm} \approx 2{,}83 \text{ cm}.

Exemplul 3

Cubul ABCDABCDABCDA'B'C'D' are muchia de 33 cm. Calculați, prin metoda volumelor, distanța de la vârful BB la planul (ABC)(AB'C).

Considerăm tetraedrul cu vârfurile AA, BB, CC, BB' și îi scriem volumul în două moduri.

Modul 1 — baza (ABC)(ABC), vârful BB': BB(ABCD)BB' \perp (ABCD) (muchie laterală a cubului), deci înălțimea din BB' pe planul (ABC)(ABC) este chiar BB=3BB' = 3 cm. Triunghiul ABCABC este dreptunghic în BB (unghi al pătratului ABCDABCD), cu catetele AB=BC=3AB = BC = 3 cm, deci AABC=332=92\mathcal{A}_{ABC} = \dfrac{3 \cdot 3}{2} = \dfrac{9}{2} cm². Rezultă V=AABCBB3=9233=92 cm3.V = \frac{\mathcal{A}_{ABC} \cdot BB'}{3} = \frac{\frac{9}{2} \cdot 3}{3} = \frac{9}{2} \text{ cm}^3.

Modul 2 — baza (ABC)(AB'C), vârful BB: laturile triunghiului ABCAB'C sunt diagonale de fețe ale cubului: AB=BC=AC=32AB' = B'C = AC = 3\sqrt{2} cm, deci triunghiul ABCAB'C este echilateral, cu aria AABC=(32)234=1834=932 cm2.\mathcal{A}_{AB'C} = \frac{(3\sqrt{2})^2\sqrt{3}}{4} = \frac{18\sqrt{3}}{4} = \frac{9\sqrt{3}}{2} \text{ cm}^2.

Echivalarea volumelor: V=AABCd(B,(ABC))3V = \dfrac{\mathcal{A}_{AB'C} \cdot d(B, (AB'C))}{3}, deci d(B,(ABC))=3VAABC=392932=33=3 cm1,73 cm.d(B, (AB'C)) = \frac{3V}{\mathcal{A}_{AB'C}} = \frac{3 \cdot \frac{9}{2}}{\frac{9\sqrt{3}}{2}} = \frac{3}{\sqrt{3}} = \sqrt{3} \text{ cm} \approx 1{,}73 \text{ cm}.

(Se verifică formula generală d=l33d = \dfrac{l\sqrt{3}}{3}: pentru l=3l = 3, d=3d = \sqrt{3} cm.)

Greșeli frecvente

  • Perpendicularitate „citită de pe desen”, nu demonstrată: la Subiectul III, afirmația $VM \perp BC$ fără justificare pierde punctele etapei. Corect: se invocă explicit T3P sau criteriul dreaptă–plan, cu toate ipotezele verificate.
  • Aplicarea T3P pornind de la o oblică: prima dreaptă trebuie să fie PERPENDICULARĂ pe plan ($MO \perp \alpha$), nu o muchie oarecare. Verifică întâi perpendiculara pe plan (înălțimea corpului, muchia laterală a prismei drepte etc.).
  • Confundarea distanței $d(M, \alpha)$ cu lungimea unui segment oarecare $MP$, $P \in \alpha$ (de exemplu cu distanța până la un vârf al secțiunii). Distanța este lungimea PERPENDICULAREI, cea mai scurtă dintre toate.
  • La metoda volumelor, folosirea ariei feței greșite: în $d(M, (ABC)) = \dfrac{3V}{\mathcal{A}}$, aria $\mathcal{A}$ este aria feței CONȚINUTE în planul respectiv (fața opusă lui $M$), nu aria bazei folosite la calculul lui $V$.
  • Distanța dintre două plane paralele măsurată pe o muchie oblică. Corect: se măsoară pe o dreaptă perpendiculară pe ambele plane (ex.: în paralelipipedul dreptunghic, pe muchia laterală).
  • La piramida regulată, confundarea apotemei piramidei $a_p$ (perpendiculara din vârf pe latura bazei, obținută prin T3P) cu apotema bazei $a_b$ sau cu muchia laterală.

Pe scurt

  • d(M,α)=MOd(M, \alpha) = MO cu MOαMO \perp \alpha; perpendiculara este mai scurtă decât orice oblică. Distanța dintre plane paralele se măsoară pe o perpendiculară comună.
  • T3P: MOαMO \perp \alpha și OBgOB \perp g (gαg \subset \alpha) MBg\Rightarrow MB \perp g; reciprocele permit deducerea celorlalte perpendicularități. Demonstrația folosește g(MOB)g \perp (MOB).
  • Distanța punct–dreaptă în 3 pași: perpendiculara pe plan → perpendiculara din picior pe dreaptă (geometrie plană) → T3P + Pitagora în triunghiul dreptunghic format.
  • Distanța punct–plan: găsești gβg \subset \beta cu gg perpendiculară pe un plan auxiliar prin MM; perpendiculara MHMH pe dreapta de intersecție este perpendiculară pe tot planul; calcul cu h=c1c2iph = \dfrac{c_1 c_2}{ip}.
  • Metoda volumelor: d(M,(ABC))=3VMABCAABCd(M, (ABC)) = \dfrac{3V_{MABC}}{\mathcal{A}_{ABC}} — alternativă complet punctată la barem.
  • Rezultate de reținut în cubul de muchie ll: d(B,(ACCA))=l22d(B, (ACC'A')) = \dfrac{l\sqrt{2}}{2} și d(B,(ABC))=l33d(B, (AB'C)) = \dfrac{l\sqrt{3}}{3}.

Exersează această lecție →

Grile și probleme cu feedback imediat pe barem.