Дана четырёхугольная пирамида \(SABCD\) с прямоугольником \(ABCD\) в основании, \(SA = 15\), \(SB = 17\), \(AB = 8\), \(BC = \sqrt{15}\), \(SD = 4\sqrt{15}\).
а) Докажите, что \(SA\) — высота пирамиды.
б) Найдите расстояние от точки \(A\) до плоскости \(SBC\).
Идея решения
Все числа в условии подобраны так, чтобы дважды сработала теорема, обратная теореме Пифагора: два боковых треугольника при вершине \(A\) окажутся прямоугольными. Отсюда \(SA\) перпендикулярно двум сторонам основания — значит, и всей плоскости основания.
Во втором пункте главное — заметить, что плоскость \(SBC\) перпендикулярна плоскости \(SAB\). Тогда искать расстояние в пространстве не нужно: достаточно опустить перпендикуляр внутри плоского прямоугольного треугольника \(SAB\).
Пункт а). Шаг 1. Треугольник SAB
Проверим числа:
\[SA^2 + AB^2 = 15^2 + 8^2 = 225 + 64 = 289,\qquad SB^2 = 17^2 = 289.\]
Равенство выполнено, значит по теореме, обратной теореме Пифагора, треугольник \(SAB\) прямоугольный с прямым углом при вершине \(A\):
\[SA \perp AB.\]
Шаг 2. Треугольник SAD
В прямоугольнике противоположные стороны равны, поэтому \(AD = BC = \sqrt{15}\). Проверим:
\[SA^2 + AD^2 = 225 + 15 = 240,\qquad SD^2 = \left(4\sqrt{15}\right)^2 = 16\cdot 15 = 240.\]
Снова равенство, значит
\[SA \perp AD.\]
Шаг 3. Вывод
Прямая \(SA\) перпендикулярна двум прямым \(AB\) и \(AD\), лежащим в плоскости \(ABCD\). Эти прямые пересекаются (в точке \(A\)), поэтому по признаку перпендикулярности прямой и плоскости
\[SA \perp (ABCD),\]
то есть \(SA\) — высота пирамиды. Пункт а) доказан.
Важно! В признаке обязательно нужны две пересекающиеся прямые плоскости. Одной перпендикулярности \(SA \perp AB\) недостаточно: через прямую \(AB\) проходит бесконечно много плоскостей, и \(SA\) не обязана быть перпендикулярна основанию.
Пункт б). Шаг 4. Ключевая перпендикулярность
Сторона \(BC\) прямоугольника перпендикулярна стороне \(AB\). Кроме того, \(SA \perp (ABCD)\), а прямая \(BC\) лежит в этой плоскости, поэтому \(SA \perp BC\).
Итак, \(BC\) перпендикулярна двум пересекающимся прямым \(AB\) и \(SA\) плоскости \(SAB\), значит
\[BC \perp (SAB).\]
Шаг 5. Две перпендикулярные плоскости
Плоскость \(SBC\) проходит через прямую \(BC\), перпендикулярную плоскости \(SAB\). Если плоскость проходит через прямую, перпендикулярную другой плоскости, то эти плоскости перпендикулярны:
\[(SBC) \perp (SAB).\]
Пересекаются они по прямой \(SB\).
Важно! Дальше работает свойство перпендикулярных плоскостей: если из точки одной плоскости опустить перпендикуляр на линию их пересечения, то этот отрезок будет перпендикулярен и второй плоскости. Поэтому всё построение уходит внутрь плоского треугольника \(SAB\) — пространственных выкладок больше не нужно.
Шаг 6. Считаем в треугольнике SAB
Опустим в плоскости \(SAB\) перпендикуляр \(AH\) из точки \(A\) на прямую \(SB\). Тогда \(AH \perp (SBC)\), и длина \(AH\) — искомое расстояние.
Треугольник \(SAB\) прямоугольный с катетами \(SA = 15\) и \(AB = 8\) и гипотенузой \(SB = 17\). Его площадь можно посчитать двумя способами:
\[\frac12\cdot SA\cdot AB = \frac12\cdot SB\cdot AH.\]
Отсюда
\[AH = \frac{SA\cdot AB}{SB} = \frac{15\cdot 8}{17} = \frac{120}{17}.\]
Ответ
\[\frac{120}{17}.\]
Ответ: \(\dfrac{120}{17}\)