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- 2021-06-10 发布
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立体几何中的向量方法
【考点梳理】
1.直线与平面、平面与平面的平行与垂直的向量方法
设直线l的方向向量为a=(a1,b1,c1),平面α,β的法向量分别为μ=(a2,b2,c2),v=(a3,b3,c3),则
(1)线面平行
l∥α⇔a⊥μ⇔a·μ=0⇔a1a2+b1b2+c1c2=0.
(2)线面垂直
l⊥α⇔a∥μ⇔a=kμ⇔a1=ka2,b1=kb2,c1=kc2.
(3)面面平行
α∥β⇔μ∥v⇔μ=λv⇔a2=λa3,b2=λb3,c2=λc3.
(4)面面垂直
α⊥β⇔μ⊥v⇔μ·v=0⇔a2a3+b2b3+c2c3=0.
2.直线与直线、直线与平面、平面与平面的夹角计算
设直线l,m的方向向量分别为a=(a1,b1,c1),b=(a2,b2,c2),平面α,β的法向量分别为μ=(a3,b3,c3),v=(a4,b4,c4)(以下相同).
(1)线线夹角
设l,m的夹角为θ,则
cos θ==.
(2)线面夹角
设直线l与平面α的夹角为θ,则
(3)面面夹角
设平面α,β的夹角为θ(0≤θ<π),
【题型突破】
题型一、利用空间向量证明平行、垂直关系
【例1】如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,AD⊥AB,AB∥DC,AD=DC=AP=2,AB=1,点E为棱PC的中点.证明:
(1)BE⊥DC;
(2)BE∥平面PAD;
(3)平面PCD⊥平面PAD.
【解析】证明 依题意,以点A为原点建立空间直角坐标系(如图),可得B(1,0,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2).由E为棱PC的中点,得E(1,1,1).
(1)向量=(0,1,1),=(2,0,0),故·=0.
所以BE⊥DC.
(2)因为AB⊥AD,又PA⊥平面ABCD,AB⊂平面ABCD,
所以AB⊥PA,PA∩AD=A,PA,AD⊂平面PAD,
所以AB⊥平面PAD,
所以向量=(1,0,0)为平面PAD的一个法向量,
而·=(0,1,1)·(1,0,0)=0,所以BE⊥AB,
又BE⊄平面PAD,所以BE∥平面PAD.
(3)由(2)知平面PAD的法向量=(1,0,0),向量=(0,2,-2),=(2,0,0),
设平面PCD的一个法向量为n=(x,y,z),
则即
不妨令y=1,可得n=(0,1,1)为平面PCD的一个法向量.
且n·=(0,1,1)·(1,0,0)=0,所以n⊥.
所以平面PAD⊥平面PCD.
【类题通法】
1.利用向量法证明平行、垂直关系,关键是建立恰当的坐标系(尽可能利用垂直条件,准确写出相关点的坐标,进而用向量表示涉及到直线、平面的要素).
2.向量证明的核心是利用向量的数量积或数乘向量,但向量证明仍然离不开立体几何定理的条件,如在(2)中忽略BE⊄平面PAD而致误.
【对点训练】
在直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠ABC=90°,BC=2,CC1=4,点E在线段BB1上,且EB1=1,D,F,G分别为CC1,C1B1,C1A1的中点.求证:
(1)B1D⊥平面ABD;
(2)平面EGF∥平面ABD.
【解析】证明 (1)以B为坐标原点,BA,BC,BB1所在的直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,如图所示.
则B(0,0,0),D(0,2,2),B1(0,0,4),C1(0,2,4).
设BA=a,则A(a,0,0),
所以=(a,0,0),=(0,2,2),=(0,2,-2).
·=0,·=0+4-4=0,
则B1D⊥BA,B1D⊥BD.
又BA∩BD=B,BA,BD⊂平面ABD,
因此B1D⊥平面ABD.
(2)由(1)知,E(0,0,3),G,F(0,1,4),
则=,=(0,1,1),
·=0+2-2=0,
·=0+2-2=0,
即B1D⊥EG,B1D⊥EF.
又EG∩EF=E,EG,EF⊂平面EGF,
因此B1D⊥平面EGF.
结合(1)可知平面EGF∥平面ABD.
题型二、求线面角或异面直线所成的角
【例2】如图,四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,AD∥BC,AB=AD=AC=3,PA=BC=4,M为线段AD上一点,AM=2MD,N为PC的中点.
(1)证明MN∥平面PAB;
(2)求直线AN与平面PMN所成角的正弦值.
【解析】(1)证明 由AM=2MD,AD=3.
∴AM=AD=2.取BP的中点T,连接AT,TN.
由于N为PC的中点,
所以TN∥BC,TN=BC=2.
又AD∥BC,故TN綉AM,所以四边形AMNT为平行四边形,于是MN∥AT.
因为AT⊂平面PAB,MN⊄平面PAB,所以MN∥平面PAB.
(2)解 取BC的中点E,连接AE.
又AB=AC,得AE⊥BC,
从而AE⊥AD,AE===.
以A为坐标原点,的方向为x轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz.
由题意知,P(0,0,4),M(0,2,0),C(,2,0),N,
=(0,2,-4),=,=.
设n=(x,y,z)为平面PMN的一个法向量,则
即可取n=(0,2,1).
于是|cos〈n,〉|==.
设AN与平面PMN所成的角为θ,则sin θ=.
所以直线AN与平面PMN所成的角的正弦值为.
【类题通法】
1.异面直线所成的角θ,可以通过两直线的方向向量的夹角φ求得,即cos θ
=|cos φ|.
2.直线与平面所成的角θ主要通过直线的方向向量与平面的法向量的夹角φ求得,即sin θ=|cos φ|,有时也可分别求出斜线与它在平面内的射影直线的方向向量,转化为求两方向向量的夹角(或其补角).
【对点训练】
将边长为1的正方形AA1O1O(及其内部)绕OO1旋转一周形成圆柱,如图,长为,长为,其中B1与C在平面AA1O1O的同侧.
(1)求三棱锥C-O1A1B1的体积;
(2)求异面直线B1C与AA1所成的角的大小.
【解析】(1)连接A1B1,因为=,
∴∠O1A1B1=∠A1O1B1=,∴△O1A1B1为正三角形,
∴S△O1A1B1=·O1A1·O1B1·sin=.
∴VC-O1A1B1=·OO1·S△O1A1B1=×1×=,
∴三棱锥C-O1A1B1的体积为.
(2)以O为坐标原点建系如图,则A(0,1,0),A1(0,1,1),
B1,C.
∴=(0,0,1),=(0,-1,-1),
∴cos〈,〉=
==-,
∴〈,〉=,
∴异面直线B1C与AA1所成的角为.
题型三、二面角的计算
【例3】如图,四棱锥P-ABCD中,侧面PAD为等边三角形且垂直于底面ABCD,AB=BC=AD,∠BAD=∠ABC=90°,E是PD的中点.
(1)证明:直线CE∥平面PAB;
(2)点M在棱PC上,且直线BM与底面ABCD所成角为45°,求二面角M-AB-D的余弦值.
【解析】(1)证明 取PA的中点F,连接EF,BF,
因为E是PD的中点,所以EF∥AD,EF=AD,
由∠BAD=∠ABC=90°得BC∥AD,
又BC=AD,所以EF綉BC,
四边形BCEF是平行四边形,CE∥BF,
又BF⊂平面PAB,
CE⊄平面PAB,
故CE∥平面PAB.
(2)解 由已知得BA⊥AD,以A为坐标原点,的方向为x轴正方向,||为单位长度,建立如图所示的空间直角坐标系A-xyz,则
A(0,0,0),B(1,0,0),C(1,1,0),P(0,1,),
=(1,0,-),=(1,0,0).
设M(x,y,z)(0