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- 2021-06-30 发布
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第 7 讲 立体几何中的向量方法(一)——证明平行与垂直
最新考纲 1.理解直线的方向向量及平面的法向量;2.能用向量语言表述线线、线面、面面
的平行和垂直关系;3.能用向量方法证明立体几何中有关线面位置关系的一些简单定理.
知 识 梳 理
1.直线的方向向量和平面的法向量
(1)直线的方向向量:如果表示非零向量 a 的有向线段所在直线与直线 l 平行或重合,则称此
向量 a 为直线 l 的方向向量.
(2)平面的法向量:直线 l⊥α,取直线 l 的方向向量 a,则向量 a 叫做平面 α 的法向量.
2.空间位置关系的向量表示
位置关系 向量表示
l1∥l2 n1∥n2⇔n1=λn2
直线 l1,l2 的方向向量分别为 n1,n2
l1⊥l2 n1⊥n2⇔n1·n2=0
l∥α n⊥m⇔n·m=0直线 l 的方向向量为 n,平面 α 的法向量为
m l⊥α n∥m⇔n=λm
α∥β n∥m⇔n=λm
平面 α,β的法向量分别为 n,m
α⊥β n⊥m⇔n·m=0
诊 断 自 测
1.判断正误(在括号内打“√”或“×”)
(1)直线的方向向量是唯一确定的.( )
(2)若两直线的方向向量不平行,则两直线不平行.( )
(3)若两平面的法向量平行,则两平面平行或重合.( )
(4)若空间向量 a 平行于平面 α,则 a 所在直线与平面 α 平行.( )
答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)×
2.(选修 2-1P104 练习 2 改编)已知平面 α,β的法向量分别为 n1=(2,3,5),n2=(-3,
1,-4),则( )
A.α∥β B.α⊥β
C.α,β相交但不垂直 D.以上均不对
解析 ∵n1≠λn2,且 n1·n2=2×(-3)+3×1+5×(-4)=-23≠0,∴α,β不平行,也
不垂直.
答案 C
3.已知 A(1,0,0),B(0,1,0),C(0,0,1),则下列向量是平面 ABC 法向量的是( )
A.(-1,1,1) B.(1,-1,1)
C.(-
3
3 ,-
3
3 ,-
3
3 ) D.( 3
3 ,
3
3 ,-
3
3 )
解析 设 n=(x,y,z)为平面 ABC 的法向量,
则{n·AB→
=0,
n·AC→
=0,
化简得{-x+y=0,
-x+z=0,∴x=y=z.
答案 C
4.(2017·青岛月考)所图所示,在正方体 ABCD-A1B1C1D1 中,O 是底面正方
形 ABCD 的中心,M 是 D1D 的中点,N 是 A1B1 的中点,则直线 ON,AM 的位置
关系是________.
解析 以 D 为坐标原点,DA,DC,DD1 所在直线分别为 x 轴,y 轴,z 轴建立
空间直角坐标系,设|AD|=2,则 A(2,0,0),M(0,0,1),O(1,1,0),N(2,1,2),所以AM→
=(-2,0,1),ON→
=(1,0,2),因此AM→
·ON→
=-2+0+2=0,故 AM⊥ON.
答案 垂直
5.(2017·杭州调研)设直线 l 的方向向量为 a,平面 α 的法向量为 n=(2,2,4),若a=(1,
1,2),则直线 l 与平面 α 的位置关系为________;
若 a=(-1,-1,1),则直线 l 与平面 α 的位置关系为________.
解析 当 a=(1,1,2)时,a=
1
2n,则 l⊥α;
当 a=(-1,-1,1)时,a·n=(-1,-1,1)·(2,2,4)=0,则 l∥α 或 l⊂α.
答案 l⊥α l∥α 或 l⊂α
6.(2017·绍兴月考)设 α,β为两个不同的平面,u=(-2,2,5),v=(1,-1,x)分别为
平面 α,β 的法向量.
(1)若 α⊥β,则 x=________;
(2)若 α∥β,则 x=________.
解析 (1)由 α⊥β,得 u·v=0,即-2-2+5x=0,x=
4
5;
(2)由 α∥β,得 u∥v,即
-2
1 =
2
-1=
5
x,x=-
5
2.
答案 (1)
4
5 (2)-
5
2
考点一 利用空间向量证明平行问题
【例 1】 如图,在四面体 A-BCD 中,AD⊥平面 BCD,BC⊥CD,AD=2,BD
=2 2,M 是 AD 的中点,P 是 BM 的中点,点 Q 在线段 AC 上,且 AQ=3QC.
证明:PQ∥平面 BCD.
证明 法一 如图,取 BD 的中点 O,以 O 为原点,OD,OP 所在射线分
别为 y,z 轴的正半轴,建立空间直角坐标系 Oxyz.
由题意知,A(0, 2,2),B(0,- 2,0),D(0, 2,0).
设点 C 的坐标为(x0,y0,0).
因为AQ→
=3QC→
,
所以 Q(3
4x0,
2
4 +
3
4y0,
1
2).
因为 M 为 AD 的中点,故 M(0, 2,1).
又 P 为 BM 的中点,故 P(0,0,
1
2),
所以PQ→
=(3
4x0,
2
4 +
3
4y0,0).
又平面 BCD 的一个法向量为 a=(0,0,1),故PQ→
·a=0.
又 PQ⊄平面 BCD,所以 PQ∥平面 BCD.
法二 在线段 CD 上取点 F,使得 DF=3FC,连接 OF,同法一建立空间直角坐标系,写出点 A,
B,C 的坐标,设点 C 坐标为(x0,y0,0).
∵CF→
=
1
4CD→
,设点 F 坐标为(x,y,0),则
(x-x0,y-y0,0)=
1
4(-x0, 2-y0,0),
∴{x=
3
4x0,
y=
2
4 +
3
4y0,
∴OF→
=(3
4x0,
2
4 +
3
4y0,0)
又由法一知PQ→
=(3
4x0,
2
4 +
3
4y0,0),
∴OF→
=PQ→
,∴PQ∥OF.
又 PQ⊄平面 BCD,OF⊂平面 BCD,
∴PQ∥平面 BCD.
规律方法 (1)恰当建立坐标系,准确表示各点与相关向量的坐标,是运用向量法证明平行和
垂直的关键.
(2)证明直线与平面平行,只须证明直线的方向向量与平面的法向量的数量积为零,或证直线
的方向向量与平面内的不共线的两个向量共面,或证直线的方向向量与平面内某直线的方向
向量平行,然后说明直线在平面外即可.这样就把几何的证明问题转化为向量运算.
【训练 1】如图所示,平面 PAD⊥平面 ABCD,ABCD 为正方形,△PAD 是直
角三角形,且 PA=AD=2,E,F,G 分别是线段 PA,PD,CD 的中点.求
证:PB∥平面 EFG.
证明 ∵平面 PAD⊥平面 ABCD,且 ABCD 为正方形,
∴AB,AP,AD 两两垂直.
以 A 为坐标原点,建立如右图所示的空间直角坐标系 Axyz,则 A(0,0,
0),B(2,0,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2),E(0,0,1),
F(0,1,1),G(1,2,0).
法一 ∴EF→
=(0,1,0),EG→
=(1,2,-1),
设平面 EFG 的法向量为 n=(x,y,z),
则{n·EF→
=0,
n·EG→
=0,
即{y=0,
x+2y-z=0,
令 z=1,则 n=(1,0,1)为平面 EFG 的一个法向量,
∵PB→
=(2,0,-2),∴PB→
·n=0,∴n⊥PB→
,
∵PB⊄平面 EFG,∴PB∥平面 EFG.
法二 PB→
=(2,0,-2),FE→
=(0,-1,0),
FG→
=(1,1,-1).设PB→
=sFE→
+tFG→
,
即(2,0,-2)=s(0,-1,0)+t(1,1,-1),
∴{t=2,
t-s=0,
-t=-2,
解得 s=t=2.∴PB→
=2FE→
+2FG→
,
又∵FE→
与FG→
不共线,∴PB→
,FE→
与FG→
共面.
∵PB⊄平面 EFG,∴PB∥平面 EFG.
考点二 利用空间向量证明垂直问题
【例 2】 如图所示,已知四棱锥 P-ABCD 的底面是直角梯形,∠ABC=
∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,侧面 PBC⊥底面 ABCD.证明:
(1)PA⊥BD;
(2)平面 PAD⊥平面 PAB.
证明 (1)取 BC 的中点 O,连接 PO,
∵平面 PBC⊥底面 ABCD,△PBC 为等边三角形,
∴PO⊥底面 ABCD.
以 BC 的中点 O 为坐标原点,以 BC 所在直线为 x 轴,过点 O 与 AB 平行的直线为 y 轴,OP 所在
直线为 z 轴,建立空间直角坐标系,如图所示.
不妨设 CD=1,则 AB=BC=2,PO= 3.
∴A(1,-2,0),B(1,0,0),D(-1,-1,0),P(0,0, 3).
∴BD→
=(-2,-1,0),PA→
=(1,-2,- 3).
∵BD→
·PA→
=(-2)×1+(-1)×(-2)+0×(- 3)=0,
∴PA→
⊥BD→
,∴PA⊥BD.
(2)取 PA 的中点 M,连接 DM,则 M(1
2,-1,
3
2 ).
∵DM→
=(3
2,0,
3
2 ),PB→
=(1,0,- 3),
∴DM→
·PB→
=
3
2×1+0×0+
3
2 ×(- 3)=0,
∴DM→
⊥PB→
,即 DM⊥PB.
∵DM→
·PA→
=
3
2×1+0×(-2)+
3
2 ×(- 3)=0,
∴DM→
⊥PA→
,即 DM⊥PA.又∵PA∩PB=P,
∴DM⊥平面 PAB.∵DM⊂平面 PAD,
∴平面 PAD⊥平面 PAB.
规律方法 (1)利用已知的线面垂直关系构建空间直角坐标系,准确写出相关点的坐标,从而
将几何证明转化为向量运算.其中灵活建系是解题的关键.
(2)用向量证明垂直的方法
①线线垂直:证明两直线所在的方向向量互相垂直,即证它们的数量积为零.
②线面垂直:证明直线的方向向量与平面的法向量共线,或将线面垂直的判定定理用向量表
示.
③面面垂直:证明两个平面的法向量垂直,或将面面垂直的判定定理用向量表示.
【训练 2】 如图所示,正三棱柱(底面为正三角形的直三棱柱) ABC-
A1B1C1 的所有棱长都为 2,D 为 CC1 的中点.求证:AB1⊥平面 A1BD.
证明 法一 设平面 A1BD 内的任意一条直线 m 的方向向量为 m.由共面向量定理,则存在实数
λ,μ,使 m=λBA1→
+μBD→
.
令BB1→
=a,BC→
=b,BA→
=c,显然它们不共面,并且|a|=|b|=|c|=2,a·b=a·c=0,b·c=
2,以它们为空间的一个基底,
则BA1→
=a+c,BD→
=
1
2a+b,AB1→
=a-c,
m=λBA1→
+μBD→
=(λ+
1
2μ)a+μb+λc,
AB1→
·m=(a-c)·[(λ+
1
2μ)a+μb+λc]
=4(λ+
1
2μ)-2μ-4λ=0.故AB1→
⊥m,故 AB1⊥平面 A1BD.
法二 如图所示,取 BC 的中点 O,连接 AO.
因为△ABC 为正三角形,
所以 AO⊥BC.
因为在正三棱柱 ABC-A1B1C1 中,平面 ABC⊥平面 BCC1B1,
所以 AO⊥平面 BCC1B1.
取 B1C1 的中点 O1,以 O 为原点,分别以OB→
,OO1→
,OA→
所在直线为 x 轴,y 轴,z 轴建立空间直角
坐标系,
则 B(1,0,0),D(-1,1,0),A1(0,2, 3),A(0,0, 3),
B1(1,2,0).
设平面 A1BD 的法向量为 n=(x,y,z),BA1→
=(-1,2, 3),BD→
=(-2,1,0).
因为 n⊥BA1→
,n⊥BD→
,
故{n·BA1→
=0,
n·BD→
=0,
⇒{-x+2y+ 3z=0,
-2x+y=0,
令 x=1,则 y=2,z=- 3,
故 n=(1,2,- 3)为平面 A1BD 的一个法向量,
而AB1→
=(1,2,- 3),所以AB1→
=n,所以AB1→
∥n,
故 AB1⊥平面 A1BD.
考点三 利用空间向量解决探索性问题
【例 3】 (2017·湖州调研)如图,棱柱 ABCD-A1B1C1D1 的所有棱长都等
于 2,∠ABC 和∠A1AC 均为 60°,平面 AA1C1C⊥平面 ABCD.
(1)求证:BD⊥AA1;
(2)在直线 CC1 上是否存在点 P,使 BP∥平面 DA1C1?若存在,求出点 P
的位置;若不存在,请说明理由.
(1)证明 设 BD 与 AC 交于点 O,则 BD⊥AC,连接 A1O,在△AA1O 中,AA1
=2,AO=1,∠A1AO=60°,
∴A1O2=AA21+AO2-2AA1·AOcos 60°=3,
∴AO2+A1O2=AA21,∴A1O⊥AO.
由于平面 AA1C1C⊥平面 ABCD,
平面 AA1C1C∩平面 ABCD=AC,
A1O⊂平面 AA1C1C,
∴A1O⊥平面 ABCD,以 OB,OC,OA1 所在直线分别为 x 轴,y 轴,z 轴,建立如图所示的空间直
角坐标系,则 A(0,-1,0),B( 3,0,0),C(0,1,0),D(- 3,0,0),A1(0,0, 3),
C1(0,2, 3).
由于BD→
=(-2 3,0,0),AA1→
=(0,1, 3),
AA1→
·BD→
=0×(-2 3)+1×0+ 3×0=0,
∴BD→
⊥AA1→
,即 BD⊥AA1.
(2)解 假设在直线 CC1 上存在点 P,使 BP∥平面 DA1C1,设CP→
=λCC1→
,P(x,y,z),则(x,y
-1,z)=λ(0,1, 3).
从而有 P(0,1+λ, 3λ),BP→
=(- 3,1+λ, 3λ).
设 n3⊥平面 DA1C1,则{n3 ⊥ A1C1→
,
n3 ⊥ DA1→
,
又A1C1→
=(0,2,0),DA1→
=( 3,0, 3),
设 n3=(x3,y3,z3),{2y3=0,
3x3+ 3z3=0,
取 n3=(1,0,-1),因为 BP∥平面 DA1C1,
则 n3⊥BP→
,即 n3·BP→
=- 3- 3λ=0,得 λ=-1,
即点 P 在 C1C 的延长线上,且 C1C=CP.
规律方法 向量法解决与垂直、平行有关的探索性问题
(1)根据题目的已知条件进行综合分析和观察猜想,找出点或线的位置,并用向量表示出来,
然后再加以证明,得出结论.
(2)假设所求的点或参数存在,并用相关参数表示相关点,根据线、面满足的垂直、平行关系,
构建方程(组)求解,若能求出参数的值且符合该限定的范围,则存在,否则不存在.
【训练 3】 在四棱锥 P-ABCD 中,PD⊥底面 ABCD,底面 ABCD 为正方形,PD=DC,E,F 分别
是 AB,PB 的中点.
(1)求证:EF⊥CD;
(2)在平面 PAD 内是否存在一点 G,使 GF⊥平面 PCB?若存在,求出点 G 坐标;若不存在,试
说明理由.
(1)证明 由题意知,DA,DC,DP 两两垂直.
如图,以 DA,DC,DP 所在直线分别为 x 轴,y 轴,z 轴建立空间直角坐
标系,设 AD=a,
则 D(0,0,0),A(a,0,0),B(a,a,0),C(0,a,0),E(a,
a
2,0),
P(0,0,a),
F(a
2,
a
2,
a
2).EF→
=(-
a
2,0,
a
2),DC→
=(0,a,0).
∵EF→
·DC→
=0,∴EF→
⊥DC→
,从而得 EF⊥CD.
(2)解 假设存在满足条件的点 G,
设 G(x,0,z),则FG→
=(x-
a
2,-
a
2,z-
a
2),
若使 GF⊥平面 PCB,则由
FG→
·CB→
=(x-
a
2,-
a
2,z-
a
2)·(a,0,0)=a(x-
a
2 )=0,得 x=
a
2;
由FG→
·CP→
=(x-
a
2,-
a
2,z-
a
2)·(0,-a,a)
=
a2
2 +a(z-
a
2 )=0,得 z=0.
∴G 点坐标为(a
2,0,0),
即存在满足条件的点 G,且点 G 为 AD 的中点.
[思想方法]
1.用向量法解决立体几何问题,是空间向量的一个具体应用,体现了向量的工具性,这种方
法可把复杂的推理证明、辅助线的作法转化为空间向量的运算,降低了空间想象演绎推理的
难度,体现了由“形”转“数”的转化思想.
2.用向量知识证明立体几何问题有两种基本思路:一种是用向量表示几何量,利用向量的运
算进行判断;另一种是用向量的坐标表示几何量,共分三步:(1)建立立体图形与空间向量的
联系,用空间向量(或坐标)表示问题中所涉及的点、线、面,把立体几何问题转化为向量问
题;(2)通过向量运算,研究点、线、面之间的位置关系;(3)根据运算结果的几何意义来解
释相关问题.
3.用向量的坐标法证明几何问题,建立空间直角坐标系是关键,以下三种情况都容易建系:(1)
有三条两两垂直的直线;(2)有线面垂直;(3)有两面垂直.
[易错防范]
1.用向量知识证明立体几何问题,仍然离不开立体几何中的定理.如要证明线面平行,只需要
证明平面外的一条直线和平面内的一条直线平行,即化归为证明线线平行,用向量方法证明
直线 a∥b,只需证明向量 a=λb(λ∈R)即可.若用直线的方向向量与平面的法向量垂直来证
明线面平行,仍需强调直线在平面外.
2.用向量证明立体几何问题,写准点的坐标是关键,要充分利用中点、向量共线、向量相等
来确定点的坐标.