Шаги разбора
I
Метод I · Через удвоенную площадь
$d = 2S / |BD_1|$ · универсально
- Идея метода. Расстояние от $A$ до прямой $BD_1$ — это длина высоты треугольника $ABD_1$, опущенной из вершины $A$ на сторону $BD_1$. Найдём площадь треугольника и применим формулу $h_a = \dfrac{2S}{a}$.
- Стороны треугольника $ABD_1$. Проследим, какие отрезки мы получаем в кубе:
- · $AB = 1$ — ребро куба;
- · $AD_1 = \sqrt 2$ — диагональ боковой грани $ADD_1A_1$;
- · $BD_1 = \sqrt 3$ — пространственная диагональ куба.
- Тип треугольника. Проверим теорему Пифагора: $$AB^2+AD_1^2=1^2+(\sqrt 2)^2=1+2=3=(\sqrt 3)^2=BD_1^2.$$ Значит треугольник прямоугольный, причём прямой угол — при вершине $A$.
- Площадь треугольника. Катеты $AB$ и $AD_1$, гипотенуза $BD_1$. $$S_{\triangle ABD_1}=\dfrac{1}{2}\cdot AB\cdot AD_1=\dfrac{1}{2}\cdot 1\cdot\sqrt 2=\dfrac{\sqrt 2}{2}.$$
- Финальная формула. $$d=\dfrac{2S}{BD_1}=\dfrac{2\cdot\tfrac{\sqrt 2}{2}}{\sqrt 3}=\dfrac{\sqrt 2}{\sqrt 3}=\dfrac{\sqrt 2\cdot\sqrt 3}{3}=\dfrac{\sqrt 6}{3}.$$
II
Метод II · Векторное произведение
координаты + формула $|\vec{BA}\times\vec v|/|\vec v|$
- Введём координаты. Поставим начало в $A$: $$A=(0;0;0),\ B=(1;0;0),\ D=(0;1;0),\ A_1=(0;0;1),\ D_1=(0;1;1).$$
- Направляющий вектор прямой $BD_1$. $$\vec v=\vec{BD_1}=D_1-B=(0-1;\ 1-0;\ 1-0)=(-1;\ 1;\ 1).$$ Длина: $|\vec v|=\sqrt{(-1)^2+1^2+1^2}=\sqrt 3$.
- Вектор от точки прямой к данной точке. Возьмём $B$ как «опорную» точку на прямой: $$\vec{BA}=A-B=(-1;\ 0;\ 0).$$
- Векторное произведение. $$\vec{BA}\times\vec v=\begin{vmatrix}\vec i&\vec j&\vec k\\-1&0&0\\-1&1&1\end{vmatrix}=\vec i(0\cdot 1-0\cdot 1)-\vec j((-1)\cdot 1-0\cdot(-1))+\vec k((-1)\cdot 1-0\cdot(-1))=(0;\ 1;\ -1).$$ Длина: $|\vec{BA}\times\vec v|=\sqrt{0+1+1}=\sqrt 2$.
- Расстояние. $$d=\dfrac{|\vec{BA}\times\vec v|}{|\vec v|}=\dfrac{\sqrt 2}{\sqrt 3}=\dfrac{\sqrt 6}{3}.$$
III
Метод III · Высота прямоугольного треугольника
$h = \dfrac{ab}{c}$ — из прямого угла на гипотенузу
- Ключевое наблюдение. В треугольнике $ABD_1$ при вершине $A$ прямой угол: рёбра $AB$ и $AD_1$ перпендикулярны (это ребро куба и диагональ боковой грани, лежащей в плоскости $ADD_1A_1$, перпендикулярной $AB$).
- Лемма. В прямоугольном треугольнике высота, опущенная из вершины прямого угла на гипотенузу, равна произведению катетов, делённому на гипотенузу: $$h=\dfrac{a\cdot b}{c}.$$ Это следствие двух равенств для площади: $S=\tfrac12 ab=\tfrac12 ch$.
- Подставим катеты и гипотенузу. $a=AB=1$, $b=AD_1=\sqrt 2$, $c=BD_1=\sqrt 3$. $$d=h=\dfrac{1\cdot\sqrt 2}{\sqrt 3}=\dfrac{\sqrt 2}{\sqrt 3}=\dfrac{\sqrt 6}{3}.$$
Сравнение методов
Универсально и наглядно. Работает в любом треугольнике, даже если он не правильной формы.
Чисто механично. Если координаты «целые» — самый надёжный путь без геометрических озарений.
Самый короткий путь, когда треугольник прямоугольный. В кубах это случается почти всегда.