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- 2021-05-13 发布
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9.6 空间向量及其运算(B)
●知识梳理
空间两个向量的加法、减法法则类同于平面向量,即平行四边形法则及三角形法则.
a·b=|a||b|cos〈a,b〉.
a2=|a|2.
a与b不共线,那么向量p与a、b共面的充要条件是存在实数x、y,使p=xa+yb.
a、b、c不共面,空间的任一向量p,存在实数x、y、z,使p=xa+yb+zc.
●点击双基
1.在以下四个式子中正确的有
a+b·c,a·(b·c),a(b·c),|a·b|=|a||b|
A.1个 B.2个 C.3个 D.0个
解析:根据数量积的定义,b·c是一个实数,a+b·c无意义.实数与向量无数量积,故a·(b·c)错,|a·b|=|a||b||cos〈a,b〉|,只有a(b·c)正确.
答案:A
2.设向量a、b、c不共面,则下列集合可作为空间的一个基底的是
A.{a+b,b-a,a} B.{a+b,b-a,b}
C.{a+b,b-a,c} D.{a+b+c,a+b,c}
解析:由已知及向量共面定理,易得a+b,b-a,c不共面,故可作为空间的一个基底,故选C.
答案:C
3.在平行六面体ABCD—A′B′C′D′中,向量、、是
A.有相同起点的向量 B.等长的向量
C.共面向量 D.不共面向量
解析:∵-==,
∴、、共面.
答案:C
4.已知a=(1,0),b=(m,m)(m>0),则〈a,b〉=_____________.
答案:45°
5.已知四边形ABCD中,=a-2c,=5a+6b-8c,对角线AC、BD的中点分别为E、F,则=_____________.
解析:∵=++,
又=++,
两式相加,得2=(+)+(+)+(+).
∵E是AC的中点,
故+=0.同理,+=0.
∴2= +=(a-2c)+(5a+6b-8c)=6a+6b-10c.∴=3a+3b-5c.
答案:3a+3b-5c
●典例剖析
【例1】 证明空间任意无三点共线的四点A、B、C、D共面的充分必要条件是:对于空间任一点O,存在实数x、y、z且x+y+z=1,使得=x+y +z.
剖析:要寻求四点A、B、C、D共面的充要条件,自然想到共面向量定理.
解:依题意知,B、C、D三点不共线,则由共面向量定理的推论知:四点A、B、C、D共面对空间任一点O,存在实数x1、y1,使得=+x1 +y1=+x1(-)+y1(-)=(1-x1-y1)+x1+y1,取x=1-x1-y1、y=x1、z=y1,则有=x+y+z,且x+y+z=1.
特别提示
向量基本定理揭示了向量间的线性关系,即任一向量都可由基向量唯一的线性表示,为向量的坐标表示奠定了基础.共(线)面向量基本定理给出了向量共(线)面的充要条件,可用以证明点共(线)面.本题的结论,可作为证明空间四点共面的定理使用.
【例2】 在平行四边形ABCD中,AB=AC=1,∠ACD=90°,将它沿对角线AC折起,使AB与CD成60°角,求B、D间的距离.
解:如下图,因为∠ACD=90°,
所以· =0.同理,·=0.
因为AB与CD成60°角,
所以〈,〉=60°或120°.因为=++,
所以2=2+2+2+2·+2·+2·=2+2+2+2·=3+2×1×1×cos〈,〉= 4 (〈,〉=60°),
2 (〈,〉=120°).
所以||=2或,
即B、D间的距离为2或.
【例3】 在棱长为1的正方体ABCD—A1B1C1D1中,BD1交平面ACB1于点E,
求证:(1)BD1⊥平面ACB1;
(2)BE=ED1.
证明:(1)我们先证明BD1⊥AC.
∵ = + +, = +,
∴·=( + +)·(+)=·+ ·=·-·=||2-||2=1-1=0.
∴BD1⊥AC.同理可证BD1⊥AB1,于是BD1⊥平面ACB1.
(2)设底面正方形的对角线AC、BD交于点M,则= = ,即2=.对于空间任意一点O,设=b, =m,=b1,=d1,则上述等式可改写成2(m-b)=d1-b1或b1+2m=d1+2b.记==e.此即表明,由e向量所对应的点E分线段B1M及D1B各成λ(λ=2)之比,所以点E既在线段B1M(B1M面ACB1)上又在线段D1B上,所以点E是D1B与平面ACB1之交点,此交点E将D1B分成2与1之比,即D1E∶EB=2∶1.∴BE=ED1.
思考讨论
利用空间向量可以解决立体几何中的线线垂直、线线平行、四点共面、求长度、求夹角等问题.
●闯关训练
夯实基础
1.平行六面体ABCD—A1B1C1D1中,M为AC和BD的交点,若 =a, =b, =
c,则下列式子中与相等的是
A.- a+ b+c B. a+ b+c
C. a- b+c D.- a- b+c
解析:= + =+ (+)=- + =c- a+ b,故选A.
答案:A
2.O、A、B、C为空间四个点,又、、为空间的一个基底,则
A.O、A、B、C四点不共线 B.O、A、B、C四点共面,但不共线
C.O、A、B、C四点中任意三点不共线 D.O、A、B、C四点不共面
解析:由基底意义,、、三个向量不共面,但A、B、C三种情形都有可能使、、共面.只有D才能使这三个向量不共面,故应选D.
答案:D
3.已知a+3b与7a-5b垂直,且a-4b与7a-2b垂直,则〈a,b〉=_____________.
解析:由条件知(a+3b)·(7a-5b)=7|a|2-15|b|2+16a·b=0,及(a-4b)·(7a-2b)=
7|a|2+8|b|2-30a·b=0.两式相减得46a·b=23|b|2,∴a·b= |b|2.代入上面两个式子中的任意一个,即可得到|a|=|b|.∴cos〈a,b〉===.
∴〈a,b〉=60°.
答案:60°
4.试用向量证明三垂线定理及其逆定理.
已知:如下图,PO、PA分别是平面α的垂线和斜线,OA是PA在α内的射影,aα,求证:a⊥PAa⊥OA.
证明:设直线a上非零向量a,要证a⊥PAa⊥OA,即证a· =0a· =0.
∵aα,a· =0,∴a·=a·(+)=a·+a·=a·.
∴a·=0a·=0,即a⊥PAa⊥OA.
评述:向量的数量积为零是证明空间直线垂直的重要工具.在应用过程中,常需要通过加、减法对向量进行转换,当然,转换的方向是有利于计算向量的数量积.
5.直三棱柱ABC—A1B1C1中,BC1⊥AB1,BC1⊥A1C,求证:AB1=A1C.
证明:∵==·
∴AB=AC.又A1A=B1B,∴A1C=AB1.
评述:本题在利用空间向量来解决位置关系问题时,要用到空间多边形法则、向量的运算、数量积以及平行、相等和垂直的条件.
培养能力
6.沿着正四面体OABC的三条棱、、的方向有大小等于1、2、3的三个力f1、f2、f3.试求此三个力的合力f的大小以及此合力与三条棱所夹角的余弦.
解:用a、b、c分别代表棱、、上的三个单位向量,则f1=a,f2=2b,f3=3c,则f=f1+f2+f3=a+2b+3c,
∴|f|2=(a+2b+3c)·(a+2b+3c)=|a|2+4|b|2+9|c|2+4a·b+6a·c+12b·c=1+4+9+4|a||b|cos〈a,b〉
+6|a||c|cos〈a,c〉+12|b||c|cos〈b,c〉=14+4cos60°+6cos60°+12cos60°=14+2+3+6=25.
∴|f|=5,即所求合力的大小为5,
且cos〈f,a〉====.
同理,可得cos〈f,b〉=,cos〈f,c〉=.
7.在空间四边形ABCD中,求证:·+· +·=0.
证法一:把拆成+后重组,·+·+·=( +
)·+·+·=·+·+·+·=·(+)+·(+)=·+· = ·(+)=·0=0.
证法二:如下图,设a=,b= ,c=,则·+·+·=(b-a)·(-c)+(c-a)·b+(-a)·(c-b)=-b·c+a·c+c·b-a·b-a·c+a·b=0.
评述:把平面向量的运算推广到空间后,许多基本的运算规则没有变.证法一中体现了向量的拆分重组技巧,要求较高;证法二设定三个向量为基底,而原式中所有向量化归为关于a、b、c的式子,化简时的思路方向较清楚.
探究创新
8.(2004年全国Ⅰ,理20)如下图,已知四棱锥P—ABCD,PB⊥AD,侧面PAD为边长等于2的正三角形,底面ABCD为菱形,侧面PAD与底面ABCD所成的二面角为120°.
(1)求点P到平面ABCD的距离;
(2)求面APB与面CPB所成二面角的大小.
(1)解:如下图,作PO⊥平面ABCD,垂足为点O.连结OB、OA、OD,OB与AD交于点E,连结PE.
∵AD⊥PB,∴AD⊥OB.∵PA=PD,∴OA=OD.
于是OB平分AD,点E为AD的中点,∴PE⊥AD.由此知∠PEB为面PAD与面ABCD所成二面角的平面角,∴∠PEB=120°,∠PEO=60°.由已知可求得PE=,∴PO=PE·sin60°=
×=,即点P到平面ABCD的距离为.
(2)解法一:如下图建立直角坐标系,其中O为坐标原点,x轴平行于DA.
P(0,0,),B(0,,0),PB中点G的坐标为(0,,),连结AG.
又知A(1,,0),C(-2,,0).
由此得到 =(1,-,-),
=(0,,-),=(-2,0,0).
于是有·=0,·=0,
∴⊥,⊥. ,的夹角θ等于所求二面角的平面角.
于是cosθ==-,
∴所求二面角的大小为π-arccos.
解法二:如下图,取PB的中点G,PC的中点F,连结EG、AG、GF,则AG⊥PB,FG∥
BC,FG=BC.
∵AD⊥PB,∴BC⊥PB,FG⊥PB.∴∠AGF是所求二面角的平面角.
∵AD⊥面POB,∴AD⊥EG.
又∵PE=BE,∴EG⊥PB,且∠PEG=60°.
在Rt△PEG中,EG=PE·cos60°=,
在Rt△GAE中,AE=AD=1,于是tan∠GAE== .
又∠AGF=π-∠GAE,
∴所求二面角的大小为π-arctan.
●思悟小结
1.若表示向量a1,a2,…,an的有向线段终点和始点连结起来构成一个封闭折图形,则a1+a2+a3+…+an=0.
2.应用向量知识解决几何问题时,一方面要选择恰当的基向量,另一方面要熟练地进行向量运算.
●教师下载中心
教学点睛
1.要使学生正确理解空间向量的加法法则、减法法则以及空间向量的数量积,掌握空间向量平行、垂直的条件及三个向量共面及四点共面的条件.
2.空间中的任何一个向量都可以用不共面的三个向量线性表示,这三个向量也称为一个基底.在证明两个向量平行、垂直或求其夹角时,往往把它们用同一个基底来表示,从而实现解题的目的.
拓展题例
【例1】 下列命题中不正确的命题个数是
①若A、B、C、D是空间任意四点,则有++ +=0 ②|a|-|b|=|a+b|是a、b共线的充要条件 ③若a、b共线,则a与b所在直线平行 ④对空间任意点O与不共线的三点A、B、C,若=x+y+z(其中x、y、z∈R),则P、A、B、C四点共面
A.1 B.2 C.3 D.4
解析:易知只有①是正确的,对于④,若O平面ABC,则、、不共面,由空间向量基本定理知,P可为空间任一点,所以P、A、B、C四点不一定共面.
答案:C
【例2】 A是△BCD所在平面外一点,M、N分别是△ABC和△ACD的重心,若BD=4,试求MN的长.
解:连结AM并延长与BC相交于E,连结AN并延长与CD相交于E,则E、F分别是BC及CD的中点.
现在=- = - = (-)== (-)=
(- )=(-)=.
∴=||= ||= BD=.
说明:本题的关键是利用重心这一特殊位置逐步进行转化.
【例3】 设A、B、C及A1、B1、C1分别是异面直线l1、l2上的三点,而M、N、P、Q分别是线段AA1、BA1、BB1、CC1的中点.求证:M、N、P、Q四点共面.
证明: = , = ,
∴=2,=2.
又∵ = (+), (*)
A、B、C及A1、B1、C1分别共线,
∴=λ=2,=ω=2ω.
代入(*)式得= (2λ+2ω)=λ+ω,∴、、共面.
∴M、N、P、Q四点共面.