В задачах по геометрии успех зависит не только от знания теории, но от качественного чертежа.
С плоскими чертежами все более-менее понятно. А в стереометрии дело обстоит сложнее. Ведь изобразить надо трехмерное тело на плоском чертеже, причем так, чтобы и вы сами, и тот, кто смотрит на ваш чертеж, увидели бы то же самое объемное тело.

Как это сделать?
Конечно, любое изображение объемного тела на плоскости будет условным. Однако существует определенный набор правил. Существует общепринятый способ построения чертежей — параллельное проецирование .

Возьмем объемное тело.
Выберем плоскость проекции .
Через каждую точку объемного тела проведем прямые, параллельные друг другу и пересекающие плоскость проекции под каким-либо углом. Каждая из этих прямых пересекает плоскость проекции в какой-либо точке. А все вместе эти точки образуют проекцию объемного тела на плоскость, то есть его плоское изображение.

Как строить проекции объемных тел?
Представьте, что у вас есть каркас объемного тела — призмы, пирамиды или цилиндра. Освещая его параллельным пучком света, получаем изображение — тень на стене или на экране. Заметим, что в разных ракурсах получаются разные изображения, но некоторые закономерности все же присутствуют:

Проекцией отрезка будет отрезок.

Конечно, если отрезок перпендикулярен плоскости проекции — он отобразится в одну точку.

Проекцией круга в общем случае окажется эллипс.

Проекцией прямоугольника — параллелограмм.

Вот как выглядит проекция куба на плоскость:

Здесь передняя и задняя грани параллельны плоскости проекции

Можно сделать по-другому:

Какой бы ракурс мы ни выбрали, проекциями параллельных отрезков на чертеже тоже будут параллельные отрезки . Это один из принципов параллельного проецирования.

Рисуем проекции пирамиды,

цилиндра:

Еще раз повторим основной принцип параллельного проецирования. Выбираем плоскость проекции и через каждую точку объемного тела проводим параллельные друг другу прямые. Эти прямые пересекают плоскость проекции под каким-либо углом. Если этот угол равен 90° — речь идет о прямоугольном проецировании . С помощью прямоугольного проецирования строятся чертежи объемных деталей в технике. В этом случае мы говорим о виде сверху, виде спереди и виде сбоку.

Глава IV. Прямые и плоскости в пространстве. Многогранники

§ 55. Площадь проекции многоугольника.

Напомним, что углом между прямой и плоскостью называется угол между данной прямой и ее проекцией на плоскость (рис. 164).

Теорема. Площадь ортогональной проекции многоугольника на плоскость равна площади проектируемого многоугольника, умноженной на косинус угла, образованного плоскостью многоугольника и плоскостью проекции.

Каждый многоугольник можно разбить на треугольники, сумма площадей которых равна площади многоугольника. Поэтому теорему достаточно доказать для треугольника.

Пусть /\ АВС проектируется на плоскость р . Рассмотрим два случая:
а) одна из сторон /\ АВС параллельна плоскости р ;
б) ни одна из сторон /\ АВС не параллельна р .

Рассмотрим первый случай : пусть [АВ] || р .

Проведем через (АВ) плоскость р 1 || р и спроектируем ортогонально /\ АВС на р 1 и на р (рис. 165); получим /\ АВС 1 и /\ А"В"С" .
По свойству проекции имеем /\ АВС 1 /\ А"В"С" , и поэтому

S /\ ABC1 = S /\ A"B"C"

Проведем _|_ и отрезок D 1 C 1 . Тогда _|_ , a = φ есть величина угла между плоскостью /\ АВС и плоскостью р 1 . Поэтому

S /\ ABC1 = 1 / 2 | AB | | C 1 D 1 | = 1 / 2 | АВ | | CD 1 | cos φ = S /\ ABC cos φ

и, следовательно, S /\ A"B"C" = S /\ ABC cos φ.

Перейдем к рассмотрению второго случая . Проведем плоскость р 1 || р через ту вершину /\ АВС, расстояние от которой до плоскости р наименьшее (пусть это будет вершина А).
Спроектируем /\ АВС на плоскости р 1 и р (рис. 166); пусть его проекциями будут соответственно /\ АВ 1 С 1 и /\ А"В"С".

Пусть (ВС) p 1 = D. Тогда

S /\ A"B"C" = S /\ AB1 C1 = S /\ ADC1 - S /\ ADB1 = (S /\ ADC - S /\ ADB) cos φ = S /\ ABC cos φ

Задача. Через сторону основания правильной треугольной призмы проведена плоскость под углом φ = 30° к плоскости ее основания. Найти площадь образующегося сечения, если сторона основания призмы а = 6 см.

Изобразим сечение данной призмы (рис. 167). Так как призма правильная, то ее боковые ребра перпендикулярны плоскости основания. Значит, /\ АВС есть проекция /\ АDС, поэтому

Подробное доказательство теоремы об ортогональной проекции многоугольника

Если - проекция плоского n -угольника на плоскость, то, где - угол между плоскостями многоугольников и. Иными словами, площадь проекции плоского многоугольника равна произведению площади проецируемого многоугольника на косинус угла между плоскостью проекции и плоскостью проецируемого многоугольника.

Доказательство. I этап. Проведём доказательство сначала для треугольника. Рассмотрим 5 случаев.

1 случай. лежат в плоскости проекции .

Пусть - проекции точек на плоскость соответственно. В нашем случае. Положим, что. Пусть - высота, тогда по теореме о трёх перпендикулярах мы можем заключить, что - высота (- проекция наклонной, - её основание и прямая проходит через основание наклонной, причём).

Рассмотрим. Он прямоугольный. По определению косинуса:

С другой стороны, так как и, тогда по определению - линейный угол двугранного угла, образованного полуплоскостями плоскостей и с граничной прямой, а, следовательно, его мера является также и мерой угла между плоскостями проекции треугольника и самого треугольника, то есть.

Найдём отношение площади к:

Заметим, что формула остаётся верной даже когда. В этом случае

2 случай. Тольколежит в плоскости проекции и параллельна плоскости проекции .

Пусть - проекции точек на плоскость соответственно. В нашем случае.

Проведём через точку прямую. В нашем случае прямая пересекает плоскость проекции, значит, по лемме, и прямая пересекает плоскость проекции. Пусть это будет в точке Так как, то точки лежат в одной плоскости, а так как параллельна плоскости проекции, то по следствию из признака параллельности прямой и плоскости следует, что. Следовательно, - параллелограмм. Рассмотрим и. Они равны по трём сторонам (- общая, как противолежащие стороны параллелограмма). Заметим, что четырёхугольник - прямоугольник и равен (по катету и гипотенузе), следовательно, равен по трём сторонам. Поэтому и.

Для применим 1 случай: , т. е..

3 случай. Тольколежит в плоскости проекции и не параллельна плоскости проекции .

Пусть точка - точка пересечения прямой с плоскостью проекции. Заметим, что и. По 1 случаю: и. Таким образом получаем, что

4 случай. Вершины не лежат в плоскости проекции . Рассмотрим перпендикуляры. Возьмём среди этих перпендикуляров наименьший. Пусть это будет перпендикуляр. Может оказаться, что, либо только, либо только. Тогда всё равно берём.

Отложим от точки на отрезке точку, так, чтобы и от точки на отрезке точку, так, чтобы. Такое построение возможно, так как - наименьший из перпендикуляров. Заметим, что является проекцией и, по построению. Докажем, что и равны.

Рассмотрим четырёхугольник. По условию - перпендикуляры к одной плоскости, следовательно, по теореме, поэтому. Так как по построению, тогда по признаку параллелограмма (по параллельным и равным противолежащим сторонам) мы можем заключить, что - параллелограмм. Значит, . Аналогично доказывается, что, . Следовательно, и равны по трём сторонам. Поэтому. Заметим, что и, как противолежащие стороны параллелограммов, следовательно, по признаку параллельности плоскостей, . Так как эти плоскости параллельны, то они образуют один и тот же угол с плоскостью проекции.

Для применимы предыдущие случаи:.

5 случай. Плоскость проекции пересекает стороны . Рассмотрим прямые. Они перпендикулярны к плоскости проекции, поэтому по теореме они параллельны. На сонаправленных лучах с началами в точках соответственно отложим равные отрезки, таким образом, чтобы вершины лежали вне плоскости проекции. Заметим, что является проекцией и, по построению. Покажем, что равен.

Так как и, по построению, тогда. Следовательно, по признаку параллелограмма (по двум равным и параллельным сторонам), - параллелограмм. Аналогично доказывается, что и - параллелограммы. Но тогда, и (как противолежащие стороны), поэтому равен по трём сторонам. Значит, .

Кроме того, и, поэтому, по признаку параллельности плоскостей. Так как эти плоскости параллельны, то они образуют один и тот же угол с плоскостью проекции.

Для применим 4 случай:.

II этап. Разобьем плоский многоугольник на треугольники с помощью диагоналей, проведенных из вершины: Тогда по предыдущим случаям для треугольников: .

Что и требовалось доказать.