Шаги разбора
I
Метод I · Параллельный перенос
из скрещивающихся — в пересекающиеся
- Идея метода. По определению, угол между скрещивающимися прямыми $\ell_1$ и $\ell_2$ равен углу между двумя пересекающимися прямыми, одна из которых параллельна $\ell_1$, другая — $\ell_2$.
- Находим параллельный перенос. Заметим, что прямая $AB_1$ параллельна прямой $DC_1$. Действительно, $ABCD$ — квадрат, поэтому $AB\parallel DC$ и $|AB|=|DC|$, значит $ABCD$... нет, точнее: четырёхугольник $ABC_1D_1$? — нет, нужен другой ход.
Правильное наблюдение: четырёхугольник $ABC_1D_1$ — это параллелограмм, поскольку $AB\parallel D_1C_1$ и $|AB|=|D_1C_1|=1$ (рёбра противоположных граней куба). Значит $AD_1\parallel BC_1$. Не совсем то, что нужно.
Попробуем иначе: $AB_1$ и $DC_1$ — это диагонали параллельных боковых граней $ABB_1A_1$ и $DCC_1D_1$. Так как $AB\parallel DC$ и $AA_1\parallel DD_1$ (рёбра куба), сами грани параллельны, а соответствующие диагонали параллельны: $AB_1\parallel DC_1$. - Заменяем $AB_1$ на $DC_1$. Прямая $DC_1$ пересекается с $BC_1$ — в общей точке $C_1$. Поэтому угол между $AB_1$ и $BC_1$ равен углу $\angle DC_1B$ в треугольнике $BDC_1$.
- Стороны треугольника $BDC_1$. Каждая из них — диагональ грани единичного куба:
- · $BD$ — диагональ основания $ABCD$, $|BD|=\sqrt 2$;
- · $DC_1$ — диагональ боковой грани $DCC_1D_1$, $|DC_1|=\sqrt 2$;
- · $BC_1$ — диагональ боковой грани $BCC_1B_1$, $|BC_1|=\sqrt 2$.
- Треугольник равносторонний. Все три стороны равны $\sqrt 2$, значит все углы равны $60°$. В частности, $\angle DC_1B = 60°.$
II
Метод II · Координаты и скалярное произведение
без построений, без переносов
- Координаты. Помещаем $A$ в начало, оси по рёбрам: $$A=(0;0;0),\ B=(1;0;0),\ C=(1;1;0),\ D=(0;1;0),$$ $$A_1=(0;0;1),\ B_1=(1;0;1),\ C_1=(1;1;1),\ D_1=(0;1;1).$$
- Направляющие векторы. $$\vec u = \vec{AB_1} = (1;\ 0;\ 1),\quad \vec v = \vec{BC_1} = (0;\ 1;\ 1).$$ Длины: $|\vec u| = |\vec v| = \sqrt 2$.
- Скалярное произведение. $$\vec u\cdot\vec v = 1\cdot 0 + 0\cdot 1 + 1\cdot 1 = 1.$$
- Формула. $$\cos\varphi = \dfrac{|\vec u\cdot\vec v|}{|\vec u|\cdot|\vec v|} = \dfrac{|1|}{\sqrt 2\cdot\sqrt 2} = \dfrac{1}{2}.$$
- Табличный угол. $\cos\varphi = \tfrac12\ \Rightarrow\ \varphi = 60°.$
III
Метод III · Симметрия куба
$60°$ — без вычислений
- Узнаём правильную фигуру. Соединим три вершины куба $B$, $D$, $C_1$. Это «не соседние» вершины: каждая пара соединена диагональю одной из граней (а не ребром).
- Все три отрезка $BD$, $DC_1$, $BC_1$ — диагонали граней единичного куба. Длина каждой — $\sqrt 2$. Это утверждение следует из симметрии куба: куб переводится в себя поворотом на $120°$ вокруг пространственной диагонали $AC_1$, при котором $B\to D\to A_1$ (или иной циклический поворот). Этот поворот переводит наши три отрезка друг в друга, значит они одной длины.
- Равносторонний треугольник. Все его углы равны $60°$, причём в точке $C_1$ как раз сходятся прямая $BC_1$ и заменитель $DC_1$ для $AB_1$.
Сравнение методов
Школьный универсальный путь. Требует найти удобную параллельную прямую — не всегда очевидно.
Безотказный механический путь. Работает в любой задаче. На ЕГЭ — лучший выбор для среднего ученика.
Самый красивый путь, если узнал правильную фигуру. В одной строке — но требует «насмотренности».