Угол между АС и МКF:
Сначала найдем координаты всех точек в кубе. Предположим, что куб имеет ребро длиной ( a ).
- ( A(0, 0, 0) )
- ( B(a, 0, 0) )
- ( C(a, a, 0) )
- ( D(0, a, 0) )
- ( A_1(0, 0, a) )
- ( B_1(a, 0, a) )
- ( C_1(a, a, a) )
- ( D_1(0, a, a) )
Теперь найдем координаты точек M, F и K:
- ( M ) - середина ( B_1C_1 ): ( M \left( \frac{a + a}{2}, \frac{0 + a}{2}, \frac{a + a}{2} \right) = \left( a, \frac{a}{2}, a \right) )
- ( F ) - середина ( D_1C_1 ): ( F \left( \frac{0 + a}{2}, \frac{a + a}{2}, \frac{a + a}{2} \right) = \left( \frac{a}{2}, a, a \right) )
- ( K ) - середина ( DC ): ( K \left( \frac{0 + a}{2}, \frac{a + a}{2}, \frac{0 + 0}{2} \right) = \left( \frac{a}{2}, a, 0 \right) )
Теперь найдём вектор ( \mathbf{AC} ) и ( \mathbf{MKF} ):
- ( \mathbf{AC} = C - A = (a, a, 0) )
Для нахождения ( \mathbf{MKF} ) рассмотрим вектор ( \mathbf{MK} ) и ( \mathbf{KF} ):
- ( \mathbf{MK} = K - M = \left( \frac{a}{2}, a, 0 \right) - \left( a, \frac{a}{2}, a \right) = \left( -\frac{a}{2}, \frac{a}{2}, -a \right) )
- ( \mathbf{KF} = F - K = \left( \frac{a}{2}, a, a \right) - \left( \frac{a}{2}, a, 0 \right) = \left( 0, 0, a \right) )
Теперь вычислим векторное произведение ( \mathbf{MK} \times \mathbf{KF} ):
[
\mathbf{MK} \times \mathbf{KF} = \begin{vmatrix}
\mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \
-\frac{a}{2} & \frac{a}{2} & -a \
0 & 0 & a
\end{vmatrix} = \mathbf{i} \left( \frac{a}{2} \cdot a - 0 \right) - \mathbf{j} \left( -\frac{a}{2} \cdot a - 0 \right) + \mathbf{k} \left( -\frac{a}{2} \cdot 0 - 0 \right) = \mathbf{i} \frac{a^2}{2} + \mathbf{j} \frac{a^2}{2} = \left( \frac{a^2}{2}, \frac{a^2}{2}, 0 \right)
]
Теперь найдем угол между ( \mathbf{AC} ) и ( \mathbf{MKF} ):
[
\cos \theta = \frac{\mathbf{AC} \cdot \mathbf{MKF}}{|\mathbf{AC}| |\mathbf{MKF}|}
]
Где:
[
\mathbf{AC} \cdot \mathbf{MKF} = (a, a, 0) \cdot \left( \frac{a^2}{2}, \frac{a^2}{2}, 0 \right) = a \cdot \frac{a^2}{2} + a \cdot \frac{a^2}{2} + 0 = a^3
]
[
|\mathbf{AC}| = \sqrt{a^2 + a^2 + 0} = a\sqrt{2}
]
[
|\mathbf{MKF}| = \sqrt{\left( \frac{a^2}{2} \right)^2 + \left( \frac{a^2}{2} \right)^2 + 0} = \sqrt{\frac{a^4}{4} + \frac{a^4}{4}} = \sqrt{\frac{a^4}{2}} = \frac{a^2}{\sqrt{2}}
]
Теперь подставим все в формулу:
[
\cos \theta = \frac{a^3}{a\sqrt{2} \cdot \frac{a^2}{\sqrt{2}}} = \frac{a^3}{a^3} = 1
]
Следовательно, угол ( \theta = \cos^{-1}(1) = 0^\circ ).