Teorema celor trei perpendiculare; calculul distanțelor punct–dreaptă și punct–plan
Distanța de la un punct la o dreaptă, notată , este lungimea segmentului , unde este piciorul perpendicularei duse din pe dreapta . Distanța de la un punct la un plan, notată , este lungimea segmentului , unde este piciorul perpendicularei duse din pe planul (adică ). Aceasta este cea mai scurtă dintre distanțele de la la punctele planului: orice alt segment , cu , este o oblică și . 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 .
Teorema celor trei perpendiculare (T3P)
Enunț. Dacă , , iar , unde și , atunci .
Demonstrație. Din și rezultă . Prin construcție, . Dreptele și sunt concurente în , deci . Cum , rezultă . ∎
Cele „trei perpendiculare” sunt: (perpendiculara pe plan), (perpendiculara din picior pe dreaptă) și concluzia (oblica perpendiculară pe dreaptă).
Reciproca 1. Dacă și (, ), atunci . (Demonstrație analoagă: și dau , deci .)
Reciproca 2. Dacă , și (cu , , ), atunci . (Din și rezultă , deci ; cum și , dreapta este perpendiculară pe două drepte concurente din , deci .)
Metoda de calcul: distanța de la un punct la o dreaptă
- Identificăm perpendiculara pe plan: găsim , unde este planul care conține dreapta (de regulă o muchie sau o înălțime a corpului).
- Construim din picior perpendiculara pe dreaptă: ducem , , și o calculăm în planul (geometrie plană!).
- Aplicăm T3P: , deci , calculată cu teorema lui Pitagora în triunghiul dreptunghic (, pentru că și ).
Metoda de calcul: distanța de la un punct la un plan
Schema standard pentru : căutăm o dreaptă și un plan auxiliar care conține punctul , astfel încât (arătăm că este perpendiculară pe două drepte concurente din ). Atunci , iar perpendiculara din pe dreapta de intersecție , fie ea , este perpendiculară pe tot planul : într-adevăr, (construcție) și (căci ), adică e perpendiculară pe două drepte concurente din . Deci , care se calculează de obicei ca înălțime în triunghi dreptunghic: .
Metoda ariilor/volumelor (echivalarea volumelor)
Dacă și planul determină un tetraedru cu , volumul lui se poate scrie în două moduri: și, alegând altă față ca bază, cu o înălțime ușor de văzut (adesea o muchie perpendiculară pe o față). Egalând, obținem . Metoda evită construcția piciorului perpendicularei și este acceptată integral la barem — orice metodă corectă primește punctaj maxim.
Formule
Teorema celor trei perpendiculare (directă):
Reciproca 1 a T3P:
Reciproca 2 a T3P:
Criteriul perpendicularității dreaptă–plan:
Distanța de la un punct la un plan (definiție):
Metoda volumelor (distanța punct–plan):
Înălțimea în triunghiul dreptunghic:
Teorema lui Pitagora:
Diagonala feței cubului / diagonala cubului (muchia l):
Distanța de la un vârf al cubului la planul celor trei diagonale de fețe vecine:
Apotema piramidei regulate:
Înălțimea triunghiului echilateral (latura l):
Volumul tetraedrului regulat (muchia l):
Volumul piramidei:
Exemple rezolvate
Exemplul 1
Pătratul are latura cm. Punctul este situat astfel încât și cm. Calculați distanța de la punctul la dreapta .
Pasul 1 — perpendiculara pe plan: , cu piciorul în .
Pasul 2 — perpendiculara din picior pe dreaptă: fie centrul pătratului, . Diagonalele pătratului sunt perpendiculare, deci , cu .
Pasul 3 — T3P: din și rezultă, conform teoremei celor trei perpendiculare, . Prin urmare .
Calcul metric: cm, deci cm. Triunghiul este dreptunghic în (pentru că și ), deci, cu teorema lui Pitagora:
Concluzie: cm.
Exemplul 2
Cubul are muchia de cm. Calculați distanța de la vârful la planul diagonal .
Construcția perpendicularei: fie centrul bazei. Arătăm că .
- , pentru că diagonalele pătratului sunt perpendiculare;
- (muchie laterală a cubului), iar , deci , adică .
Dreptele și sunt concurente în și ambele sunt incluse în planul . Conform criteriului perpendicularității dreaptă–plan, , deci piciorul perpendicularei din pe plan este și .
Calcul metric: cm, deci
Exemplul 3
Cubul are muchia de cm. Calculați, prin metoda volumelor, distanța de la vârful la planul .
Considerăm tetraedrul cu vârfurile , , , și îi scriem volumul în două moduri.
Modul 1 — baza , vârful : (muchie laterală a cubului), deci înălțimea din pe planul este chiar cm. Triunghiul este dreptunghic în (unghi al pătratului ), cu catetele cm, deci cm². Rezultă
Modul 2 — baza , vârful : laturile triunghiului sunt diagonale de fețe ale cubului: cm, deci triunghiul este echilateral, cu aria
Echivalarea volumelor: , deci
(Se verifică formula generală : pentru , 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
- cu ; perpendiculara este mai scurtă decât orice oblică. Distanța dintre plane paralele se măsoară pe o perpendiculară comună.
- T3P: și () ; reciprocele permit deducerea celorlalte perpendicularități. Demonstrația folosește .
- 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 cu perpendiculară pe un plan auxiliar prin ; perpendiculara pe dreapta de intersecție este perpendiculară pe tot planul; calcul cu .
- Metoda volumelor: — alternativă complet punctată la barem.
- Rezultate de reținut în cubul de muchie : și .
Exersează această lecție →
Grile și probleme cu feedback imediat pe barem.