立体几何(向量方法)
知识精要
1. 证明两条直线平行,只需证明这两条直线上的向量共线(即成倍数关系).证明两条直
线平行,只需证明这两条直线上的向量的数量积等于零.
2. 通过法向量,把线面、面面的角转化为线线的角.从而可以利用公式
cos ||||θαβαβ= 求解.
3. 建立空间直角坐标系.
例题1如图,在三棱锥P -ABC 中,AB ⊥BC ,AB =BC =1
2
PA ,点
O 、D 分别是AC 、PC 的中点,OP ⊥底面ABC . (Ⅰ)求证OD ∥平面PAB ;
(Ⅱ) 求直线OD 与平面PBC 所成角的大小.
解答OP ABC OA OC AB BC ⊥== 平面,,, .OA OB OA OP OB OP ∴⊥⊥⊥ ,,
()O OP z O xyz -以为原点,射线为非负轴,建立空间直角坐标系如图,
,0,0,,0,,0,0AB a A B C ?????=? ? ?? ? ?
??????
设,则 ()0,0,.OP h P h =设,则
()D PC 为的中点,
Ⅰ
1,0,,,0,2OD h PA h ??
?∴==- ?? ??????
又,
1...2OD PA OD PA OD PAB ∴=-∴∴
平面∥∥
()2,PA a =
Ⅱ,h ∴=
,OD ??
∴= ? ???
,PBC n ?=- ?
可求得平面
的法向量cos ,OD n OD n OD n ?∴??==?
OD PBC θ设与平面所成的角为
,sin cos ,OD n θ=??= 则
OD PBC ∴ 与平面所成的角为. 练习1如图,已知长方体1111ABCD A BC D -,12,1AB AA ==,直线BD 与平面11AA B B 所成的角为0
30,AE 垂直BD 于,E F 为11A B 的中点.
(Ⅰ)求异面直线AE 与BF 所成的角;
(Ⅱ)求平面BDF 与平面1AA B 所成二面角(锐角)的大小; (Ⅲ)求点A 到平面BDF 的距离
解答 在长方体1111ABCD A BC D -中,以
AB 所在直线为x 轴,AD 所在直线为y 轴,1AA 所在直线为z 轴建立空间直 角坐标系如图.
由已知12,1AB AA ==,可得(0,0,0),(2,0,0),(1,0,1)A B F .又AD ⊥平面11AA B B ,
从面BD 与平面11AA B B 所成的角即为0
30DBA ∠=
又2,,1,3
AB AE BD AE AD
=⊥=
=
从而易得1(2
E D (Ⅰ)1((2AE B
F ==- cos ,AE BF
AE BF AE BF
∴<>=
14-==
即异面直线AE 、BF 所成的角为4
(Ⅱ)易知平面1AA B 的一个法向量(0,1,0)m = (,
,)n x y z =
是平面BDF 的一个法向
量.(2,3
BD =- 由n BF
n BD ?⊥??⊥??
n BF n BD ?=??
?=?? 0
20x x x
y -+=??
??=??
x z
y
=?
??取(1n =
∴cos ,5
m n m n m n <>==
=
即平面BDF 与平面1AA B 所成二面角(锐角)大小为5
(Ⅲ)点A 到平面BDF 的距离,即AB 在平面BDF 的法向量n
上的投影的绝对值
所以距离
||cos ,d AB AB n =<> ||
||||AB n AB AB n =
||||AB n n ==
=
1
所以点A 到平面BDF
5
例题2 如图1,已知ABCD 是上.下底边长分别为2和6,高为3的等腰梯形,将它沿对称轴OO 1折成直二面角,如图2 (Ⅰ)证明:AC ⊥BO 1;
(Ⅱ)求二面角O -AC -O 1的大小.
解答(I )证明 由题设知OA ⊥OO 1,OB ⊥OO 1.所以∠AOB 是所折成的直二面角的平面角, 即OA ⊥OB . 故可以O 为原点,OA 、OB 、OO 1所在直线分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系,如图3,则相关各点的坐标是A (3,0,0),B (0,3,0),C (0,1,3)O 1(0,0,3).从而.0333),3,3,0(),3,1,3(11=?+-=?-=-=BO BO 所以AC ⊥BO 1.
(II )解:因为,03331=?+-=?BO 所以BO 1⊥OC ,由(I )AC ⊥BO 1,所以BO 1⊥平面OAC ,1BO 是平面OAC 的一个法向量.设),,(z y x =是0平面O 1AC 的一个法向量,由,3.0,033001=??
?==++-???
???=?=?z y z y x O 取得)3,
0,1(=n . 设二面角O —AC —
O 1的大小为θ,由、1BO 的方向可知=<θ,1BO >,所以COS <=cos θ,
1BO .
4
31=
即二面角O —AC —O 1的大小是.43arccos
练习2 如图, 在直三棱柱111ABC A B C -中,13,4,5,4AC BC AB AA ==== ,点D 为AB 的中点
(Ⅰ)求证1AC BC ⊥; (Ⅱ) 求证11AC CDB 平面;
(Ⅲ)求异面直线1AC 与1B C 所成角的余弦值
1
A 图1
解答∵直三棱锥111ABC A B C -底面三边长3,4,5AC BC AB ===,1,,AC BC CC 两两垂直如图建立坐标系,则C (0,0,0),A (3,0,0),C 1(0,0,4),B (0,4,0),B 1(0,4,4),D (
3
2
,2,0) (Ⅰ)11(3,0,0),(0,4,4)AC BC =-= ,1110,AC BC AC BC ∴?=∴⊥
(Ⅱ)设1CB 与1C B 的交点为E ,则E (0,2,2)
13
(,0,2),(3,0,4)2
DE AC =-=-
11
1,//2
DE AC DE AC ∴=∴
111,,DE CDB AC CDB ?? 平面平面1//AC CDB ∴平面
(
Ⅲ)11(3,0,4),(0,4,4),AC CB =-= 111111cos ,||||
AC CB AC CB AC CB ∴<>==
∴异面
直线1AC 与1B C 例题3 在ΔABC 中,已知6
6
cos ,364=
=
B AB ,A
C 边上的中线B
D =5,求SINA . 解答 以B 为坐标原点,BC 为x 轴正向建立直角坐标指法,且不妨设点A
位于第一象限
由
630
sin =B ,则4cos ,sin )()3
BA B B == ,设=(x ,0),则43(,63x BD += ,由条件得5)352()634(||2
2=++=x BD ,
从而x=2,314-=x (舍去),故2(,)33
CA =- .于是
14
14
39
80949809169
80
98cos =
+?++-
=
=
A ∴14
70
cos 1sin 2
=
-=A A
练习3 在平面上给定ABC ?,对于平面上的一点P ,建立如下的变换 :f AP 的中点为Q ,BQ 的中点为R ,CR 的中点为'
P ,'()f P P =,求证 f 只有一个不动点(指P 与'
P 重合的点).
解答:依提意,有12AQ AP = ,且111()224
AR AB AQ AB AP =+=+ ,
'
1111()2248AP AC AR AC AB AP =+=+++ ,要使'P 与P 重合,应
111248AP AC AB AP =++ ,得1(42)7
AP AC AB =+
,对于给定的ABC ?,满足条件的不
动点P 只有一个.
例题4 如图,在四棱锥P —ABCD 中,底面ABCD 为矩形,PD ⊥底面ABCD ,E 是AB 上一点,PE ⊥EC . 已知,2
1,2,2=
==
AE CD PD 求 (Ⅰ)异面直线PD 与EC 的距离; (Ⅱ)二面角E —PC —D 的大小.
解答 (Ⅰ)以D 为原点,、DC 、分别为x 、y 、z 轴建立空间直角坐标系.
由已知可得D (0,0,0),P (0,0,)2, C (0,2,0)设),0,2,(),0)(0,0,(x B x x A 则>
).0,2
3
,(),2,21,(),0,21,(-=-=x x x E
由0=?⊥CE PE 得,即.2
3,0432
==-x x 故
由CE DE ⊥=-?=?得0)0,2
3
,23()0,21,23(
, 又PD ⊥DE ,故DE 是异面直线PD 与CE 的公垂线,易得1||=DE ,故异面直线PD 、CE 的距离为1.
(Ⅱ)作DG ⊥PC ,可设G (0,Y ,Z ).由0=?得0)2,2,0(),,0(=-?z y ,即),2,1,0(,2==DG y z 故可取作EF ⊥PC 于F ,设F (0,M ,N )
,则 ).,2
1
,23(n m --
= 由0212,0)2,2,0(),2
1
,23(0=--=-?--
=?n m n m PC EF 即得,
又由F 在PC 上得).2
2,21,23(,22,1,222-===+-
=EF n m m n 故 因,,⊥⊥故平面E —PC —D 的平面角θ的大小为向量DG EF 与的夹角. 故,4,22|
|||cos πθθ==
=
EF DG 即二面角E —PC —D 的大小为.4
π
练习4如图,在三棱柱ABC —A 1B 1C 1中,AB ⊥侧面BB 1C 1C ,E 为棱CC 1上异于C 、C 1的一点,EA ⊥EB 1,已知AB =2,BB 1=2,BC =1,∠BCC 1=3
π
,求: (Ⅰ)异面直线AB 与EB 1的距离;
(Ⅱ)二面角A —EB 1—A 1的平面角的正切值.
解答(I )以B 为原点,1BB 、分别为Y 、Z 轴建立空间
直角坐标系. 由于BC =1,BB 1=2,AB =2,∠BCC 1=3
π
,
在三棱柱ABC —A 1B 1C 1中有
B (0,0,0),A (0,0,2),B 1(0,2,0),
)0,2
3
,23(),0,21,23(
1C C - 设即得由,0,),0,,2
3
(
11=?⊥EB EB EA a E )0,2,2
3
()2,,23(0a a --?--
=,432)2(432+-=-+=a a a a
.
,04
3
43)02323()0,21,23()
0,2
1
,23(),(2321,0)23)(21(11EB BE EB E a a a a ⊥=+-=??-?=?===--即故舍去或即得
又AB ⊥面BCC 1B 1,故AB ⊥BE . 因此BE 是异面直线AB 、EB 1的公垂线, 则14
1
43||=+=
,故异面直线AB 、EB 1的距离为1. (II )由已知有,,1111EB A B EB EA ⊥⊥故二面角A —EB 1—A 1的平面角θ的大小为向量
A B 11的夹角.
1
1
.2
2tan ,
32||||cos ),2,2
1
,23(),2,0,0(111111=
=
=--===θθ即故因A B EA A B
第一部分:平面向量的概念及线性运算 欧阳光明(2021.03.07) 一.基础知识自主学习 1.向量的有关概念 名称定义备注 向量既有又有的量;向量的大小叫做向量 的(或称) 平面向量是自由向量 零向量长度为的向量;其方向是任意的记作0 单位向量长度等于的 向量 非零向量a的单位向量为± a |a| 平行向量方向或的非零向量 0与任一向量或共线共线向量的非零向量又叫做共线向量 相等向量长度且方向的向量两向量只有相等或不等,不能比 较大小 相反向量长度且方向的向量0的相反向量为0 2.向量的线性运算 向量运算定义法则(或几何 意义) 运算律 加法求两个向量和的运算(1)交换律: a+b=b+a. (2)结合律: (a+b)+c=a+(b+c). 减法求a与b的相反向量-b 的和的运算叫做a与b 的差 法则 a-b=a+(-b) 数乘求实数λ与向量a的积的 运算 (1)|λa|=|λ||a|. (2)当λ>0时,λa的方向与a的方向; 当λ<0时,λa的方向与a的方向;当λ =0时,λa=0. λ(μa)=λμa; (λ+μ)a=λa+μa; λ(a+b)=λa+λb. 向量a(a≠0)与b共线的条件是存在唯一一个实数λ,使得b=λa. 二.难点正本疑点清源 1.向量的两要素 向量具有大小和方向两个要素.用有向线段表示向量时,与有向线段起点的位置没有关系.同向且等长的有向线
段都表示同一向量.或者说长度相等、方向相同的向量是相等的.向量只有相等或不等,而没有谁大谁小之说,即向量不能比较大小. 2.向量平行与直线平行的区别 向量平行包括向量共线(或重合)的情况,而直线平行不包括共线的情况.因而要利用向量平行证明向量所在直线平行,必须说明这两条直线不重合. 三.基础自测 1.化简OP →-QP →+MS →-MQ → 的结果等于________. 2.下列命题:①平行向量一定相等;②不相等的向量一定不平行;③平行于同一个向量的两个向量是共线向量; ④相等向量一定共线.其中不正确命题的序号是_______. 3.在△ABC 中,AB →=c ,AC →=b.若点D 满足BD →=2DC →,则AD → =________(用b 、c 表示). 4.如图,向量a -b 等于() A .-4e1-2e2 B .-2e1-4e2 C .e1-3e2 D .3e1-e2 5.已知向量a ,b ,且AB →=a +2b ,BC →=-5a +6b ,CD → =7a -2b ,则一定共线的三点是 () A .A 、B 、DB .A 、B 、C C .B 、C 、DD .A 、C 、D 四.题型分类深度剖析 题型一 平面向量的有关概念 例1 给出下列命题: ①若|a|=|b|,则a =b ;②若A ,B ,C ,D 是不共线的四点,则AB →=DC → 是四边形ABCD 为平行四边形的充要条件;③若a =b ,b =c ,则a =c ;④a =b 的充要条件是|a|=|b|且a ∥b ;⑤若a ∥b ,b ∥c ,则a ∥c.其中正确的序号是________. 变式训练1 判断下列命题是否正确,不正确的请说明理由. (1)若向量a 与b 同向,且|a|=|b|,则a>b ; (2)若|a|=|b|,则a 与b 的长度相等且方向相同或相反; (3)若|a|=|b|,且a 与b 方向相同,则a =b ; (4)由于零向量的方向不确定,故零向量不与任意向量平行; (5)若向量a 与向量b 平行,则向量a 与b 的方向相同或相反; (6)若向量AB →与向量CD → 是共线向量,则A ,B ,C ,D 四点在一条直线上; (7)起点不同,但方向相同且模相等的几个向量是相等向量; (8)任一向量与它的相反向量不相等 题型二 平面向量的线性运算 例2 如图,以向量OA →=a ,OB →=b 为边作?OADB ,BM →=13BC →,CN →=13 CD →,用a 、b 表示OM →、ON →、MN → . 变式训练2 △ABC 中,AD →=23 AB →,DE ∥BC 交AC 于E ,BC 边上的中线AM 交DE 于N.设AB →=a ,AC → =b ,用a 、b 表示向 量AE →、BC →、DE →、DN →、AM →、AN →. 题型三 平面向量的共线问题 例3 设e1,e2是两个不共线向量,已知AB →=2e1-8e2,CB →=e1+3e2,CD → =2e1-e2. (1)求证:A 、B 、D 三点共线; (2)若BF → =3e1-ke2,且B 、D 、F 三点共线,求k 的值.
平面向量及空间向量高考数学专题训练(四) 一、选择题(本大题共12小题,每小题分6,共72分) 1.设-=1(a cos α,3), (=b sin )3,α,且a ∥b , 则锐角α为( ) A. 6π B. 4π C. 3 π D. 125π 2.已知点)0,2(-A 、)0,3(B ,动点2),(x y x P =?满足,则点P 的轨迹是( ) A. 圆 B. 椭圆 C. 双曲线 D. 抛物线 3.已知向量值是相互垂直,则与且k b a b a k b a -+-==2),2,0,1(),0,1,1(( ) A. 1 B. 51 C. 53 D. 5 7 4.已知b a ,是非零向量且满足的夹角是与则b a b a b a b a ,)2(,)2(⊥-⊥-( ) A. 6π B. 3 π C. 32π D. 65π 5.将函数y=sinx 的图像上各点按向量=a (2,3 π )平移,再将所得图像上各点的横坐标 变为原来的2倍,则所得图像的解析式可以写成( ) A.y=sin(2x+ 3π)+2 B.y=sin(2x -3 π )-2 C.y=(321π+x )-2 D.y=sin(321π-x )+2 6.若A,B 两点的坐标是A(3φcos ,3φsin ,1),B(2,cos θ2,sin θ1),||的取值范围是( ) A. [0,5] B. [1,5] C. (1,5) D. [1,25] 7.从点A(2,-1,7)沿向量)12,9,8(-=a 方向取线段长|AB|=34,则点B 的坐标为( ) A.(-9,-7,7) B. (-9,-7,7) 或(9,7,-7) C. (18,17,-17) D. (18,17,-17)或(-18,-17,17) 8.平面直角坐标系中,O 为坐标原点, 已知两点A(3, 1), B(-1, 3),若点C 满足 =OB OA βα+, 其中α、β∈R 且α+β=1, 则点C 的轨迹方程为 ( ) A.01123=-+y x B.5)2()1(2 2 =-+-y x C. 02=-y x D. 052=-+y x 9.已知空间四边形ABCD 的每条边和对角线的长都等于m ,点E ,F 分别是BC ,AD 的中点,则?的值为 ( ) A.2 m B. 212m C. 4 1 2m D. 432m 10.O 为空间中一定点,动点P 在A,B,C 三点确定的平面内且满足)()(-?-=0,
高中数学向量专项练习 一、选择题 1.已知向量(1,),(1,),a x b x ==-r r 若(2).a b b -⊥r r r 则a =r ( ) A .2 B .3 C .2 D .4 2.化简+ + + 的结果是( ) A . B . C . D . 3.已知向量(1,2),(4,)a b m ==-v v ,若2a b +v v 与a v 垂直,则m =( ) A .-3 B .3 C .-8 D .8 4.已知向量(1,1)a =-r ,(1,)b m =r ,若(2)4a b a -?=r r r ,则m =() A .1- B .0 C .1 D .2 5.设向量(12)a =-r , ,(1)b m =r ,,若向量a r 与b r 平行,则a b ?=r r A .27- B .21- C .23 D .2 5 6.在菱形ABCD 中,对角线4AC =,E 为CD 的中点,则AE AC ?=u u u r u u u r ( ) A .8 B .10 C .12 D .14 7.在△ABC 中,若点D 满足2BD DC =u u u v u u u v ,则AD =u u u v ( ) A .1233AC A B +u u u v u u u v B .5233AB A C -u u u v u u u v C .2133AC AB -u u u v u u u v D .2133 AC AB +u u u v u u u v 8.在ABC ?中,已知90BAC ∠=o ,6AB =,若D 点在斜边BC 上,2CD DB =,则AB AD ?u u u r u u u r 的值为 ( ). A .6 B .12 C .24 D .48 9.已知向量(1,1),(2,2),m n λλ→ → =+=+若()()m n m n → → → → +⊥-,则=λ( ) A .4- B .3- C .2- D .1- 10.已知向量(12)=,a ,(4)x =,b ,若向量//a b ,则实数的x 值为 A .2 B .2- C .8 D .8- 11.已知向量()()2,1,3,4==-a b ,则2+=a b A .()1,5- B .()1,5 C .()1,6- D .()1,6 12.已知向量()()2,1,3,4==-a b ,则+=a b A .()1,5- B .()1,5 C .()1,3-- D .()1,3