Шаги разбора
I
Метод I · Метод объёмов
$d = 3V / S$ для тетраэдра $SABC$
- Выделим вспомогательный тетраэдр. Точка $A$ и плоскость $SBC$ задают тетраэдр $SABC$ (или, равносильно, $ABCS$). Его объём можно вычислить, выбирая в качестве основания любую из четырёх граней — и приравнять.
- Объём через основание $\triangle ABC$. Треугольник $ABC$ — половина квадрата основания со стороной $2$, поэтому $$S_{\triangle ABC}=\tfrac12\cdot 2\cdot 2=2.$$ Высота тетраэдра в этом случае — это высота пирамиды, то есть $SO=1$ (точка $S$ проецируется в центр $O$ основания, а $O$ лежит внутри $\triangle ABC$). Итог: $$V=\tfrac13\cdot S_{\triangle ABC}\cdot SO=\tfrac13\cdot 2\cdot 1=\dfrac{2}{3}.$$
- Объём через основание $\triangle SBC$. Эта же величина может быть представлена как $V=\tfrac13\cdot S_{\triangle SBC}\cdot d$, где $d$ — искомое расстояние от $A$ до плоскости $SBC$.
- Площадь $\triangle SBC$. Треугольник $SBC$ равнобедренный: $SB=SC$. Найдём апофему $SM$, где $M$ — середина $BC$.
$M$ лежит на середине ребра $BC$ основания, $OM=\tfrac12\cdot AB=1$ (расстояние от центра квадрата до середины стороны). Тогда $$SM=\sqrt{SO^2+OM^2}=\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt 2.$$ Площадь треугольника: $$S_{\triangle SBC}=\tfrac12\cdot BC\cdot SM=\tfrac12\cdot 2\cdot\sqrt 2=\sqrt 2.$$ - Приравниваем. $$\tfrac13\cdot\sqrt 2\cdot d=\dfrac{2}{3}\ \Rightarrow\ d=\dfrac{2}{\sqrt 2}=\sqrt 2.$$
II
Метод II · Координатный
уравнение плоскости + формула расстояния
- Введём систему координат. Начало — в центре основания $O$, оси $Ox$ и $Oy$ — вдоль диагоналей квадрата, ось $Oz$ — вверх. Так как сторона квадрата равна $2$, полудиагональ $= \sqrt 2$, но нам удобнее поместить вершины квадрата в точки с координатами $\pm 1$ по каждой из двух осей: $$A=(1;-1;0),\ B=(1;1;0),\ C=(-1;1;0),\ D=(-1;-1;0),\ S=(0;0;1).$$
- Найдём нормаль к плоскости $SBC$. Возьмём два вектора в этой плоскости: $$\vec{SB}=(1;1;-1),\quad \vec{SC}=(-1;1;-1).$$ Нормаль — векторное произведение: $$\vec n=\vec{SB}\times\vec{SC}=\begin{vmatrix}\vec i&\vec j&\vec k\\1&1&-1\\-1&1&-1\end{vmatrix}=(1\cdot(-1)-(-1)\cdot 1;\ (-1)\cdot(-1)-1\cdot(-1);\ 1\cdot 1-1\cdot(-1))=(0;2;2).$$ Упростим: $\vec n\sim(0;1;1)$, длина $|\vec n|=\sqrt 2$.
- Уравнение плоскости. Подставим точку $S=(0;0;1)$ в уравнение $0\cdot x+1\cdot y+1\cdot z=d_0$: $d_0=1$. Итак, плоскость $SBC:\ y+z-1=0$. Проверка: $B=(1;1;0)\Rightarrow 1+0-1=0\ \checkmark$, $C=(-1;1;0)\Rightarrow 1+0-1=0\ \checkmark$.
- Расстояние от точки $A=(1;-1;0)$ до плоскости. По стандартной формуле: $$d=\dfrac{|A_0\cdot x_A+B_0\cdot y_A+C_0\cdot z_A+D_0|}{\sqrt{A_0^2+B_0^2+C_0^2}}=\dfrac{|0\cdot 1+1\cdot(-1)+1\cdot 0-1|}{\sqrt{0^2+1^2+1^2}}=\dfrac{|-2|}{\sqrt 2}=\dfrac{2}{\sqrt 2}=\sqrt 2.$$
III
Метод III · Через двугранный угол
$d = AB\cdot\sin(\text{угол между плоскостями})$
- Идея. Если плоскости $SBC$ и $ABC$ пересекаются по прямой $BC$, и мы спроецировали $A$ на $BC$ в точку $P$, то расстояние от $A$ до $SBC$ равно $d=|AP|\cdot\sin\alpha$, где $\alpha$ — двугранный угол вдоль $BC$ между этими плоскостями.
- Спроецируем $A$ на $BC$. Точка $A=(1;-1;0)$, прямая $BC$ задаётся $y=1,\ z=0$ (и пробегает $x\in[-1;1]$). Перпендикуляр из $A$ к $BC$ — это вертикаль в плоскости $z=0$ от $(1;-1;0)$ к $(1;1;0)$, то есть к точке $B$. Значит $P=B$ и $|AP|=|AB|=2$.
- Найдём двугранный угол. Линейный угол строится в плоскости, перпендикулярной $BC$, проходящей через $M$ — середину $BC$. В основании $OM\perp BC$ (диагональ от центра к середине стороны), $|OM|=1$. В плоскости $SBC$ перпендикуляр к $BC$ в $M$ — это апофема $SM$.
В прямоугольном $\triangle SOM$: $OM=1$, $SO=1$, гипотенуза $SM=\sqrt 2$. Угол $\angle SMO$ — это и есть искомый двугранный угол. - Вычислим угол. $$\sin\angle SMO=\dfrac{SO}{SM}=\dfrac{1}{\sqrt 2}=\dfrac{\sqrt 2}{2},$$ значит $\angle SMO=45°$. (Двугранный угол между боковой гранью и основанием правильной четырёхугольной пирамиды.)
- Финальный шаг. $$d=|AB|\cdot\sin 45°=2\cdot\dfrac{\sqrt 2}{2}=\sqrt 2.$$
Сравнение методов
Универсален. Не требует чертёжных озарений — только аккуратное вычисление площадей и высот.
Технично, без геометрической интуиции. Идеален, когда фигура «вписана» в прямоугольный каркас.
Изящно и быстро, когда точка и плоскость удачно расположены. На ЕГЭ — для смелых.