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  • 2021-06-30 发布

【数学】2018届一轮复习人教A版第八章立体几何与空间向量第7讲立体几何中的向量方法(一)—证明平行与垂直学案

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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.

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