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立体几何向量法

立体几何中几类典型问题的向量解法

空间向量的引入为求立体几何的空间角和距离问题、证线面平行与垂直以及解决立体几何的探索性试题提供了简便、快速的解法。它的实用性是其它方法无法比拟的,因此应加强运用向量方法解决几何问题的意识,提高使用向量的熟练程度和自觉性,注意培养向量的代数运算推理能力,掌握向量的基本知识和技能,充分利用向量知识解决图形中的角和距离、平行与垂直问题。

一、利用向量知识求点到点,点到线,点到面,线到线,线到面,面到面的距离

(1)求点到平面的距离除了根据定义和等积变换外还可运用平面的法向量求得,方法是:

求出平面的一个法向量的坐标,再求出已知点P 与平面内任一点M 构成的向量MP

的坐

标,那么P 到平面的距离cos ,n MP d MP n MP n

?=?<>=

(2)求两点,P Q 之间距离,可转化求向量PQ

的模。

(3)求点P 到直线AB 的距离,可在AB 上取一点Q ,令,A Q Q BP Q A B λ=⊥ 或PQ

的最小值求得参数λ,以确定Q 的位置,则PQ

为点P 到直线AB 的距离。还可以在AB 上任取一点Q 先求<,sin ,则PQ

><,sin 为

点P 到直线AB 的距离。

(4)求两条异面直线12,l l 之间距离,可设与公垂线段AB 平行的向量n

,,C D 分别是12,l l 上

的任意两点,则12,l l 之间距离CD n

AB n

?=

例1:设(2,3,1),(4,1,2),(6,3,7),(5,4,8)A B C D --,求点D 到平面ABC 的距离

例2:如图,正方形ABCD 、ABEF 的边长都是1,而且平面ABCD 、ABEF 互相垂直。点M 在AC 上移动,点N 在BF 上移动,若a BN CM ==)20(<

(Ⅰ)求MN 的长;(Ⅱ)当a 为何值时,MN 的长最小; (Ⅲ)当MN 长最小时,求面MNA 与面MNB

例3:正方体1111ABCD A BC D -的棱长为1,求异面直线11AC 与1AB 间的距离

例4:如图,在长方体1111ABCD A BC D -中,14,3,2,AB BC CC ===求平面11A BC 与平面1ACD 的距离。

点评:若n

是平面α的法向量,AB 是平面α的一条斜线段,且B α∈,则点A 到平面α的

距离AB n

d n

?= ,平行平面之间的距离转化为点到平面的距离,变为斜线在法向量上的射

影。

二、利用向量知识求线线角,线面角,二面角的大小。

(1)设12,l l 是两条异面直线,,A B 是1l 上的任意两点,,C D 是直线2l 上的任意两点,则12

,l l 所成的角为arccos AB CD

AB CD

??

(2)设AB 是平面α的斜线,且,B BC α∈是斜线AB 在平面α内的射影,则斜线AB 与

平面α所成的角为arccos AB BC AB BC

??

。设n

是平面α的法向量,AB 是平面α的一条斜线,

则AB 与平面α所成的角为arccos 2AB n AB n AB n AB n

π

??-?? ,或者arcsin 。

y

y

(3)设12,n n 是二面角l αβ--的面,αβ的法向量,则12

1212

,cos n n n n arc n n ?<>=?

就是

二面角的平面角或补角的大小。

例5:在棱长为a 的正方体''''

ABCD A B C D -中,EF 分别是'',BC A D 的中点, (1)求直线'

AC DE 与所成角;

(2)求直线AD 与平面'

B EDF 所成的角, (3)求平面'

B EDF 与平面ABCD 所成的角

例6:如图,四棱锥P ABCD -中,底面ABCD 为矩形,PD ⊥底面ABCD ,AD=PD ,E ,F 分别CD 、PB 的中点.

(Ⅰ)求证:EF ⊥平面PAB ;

(Ⅱ)设

,求AC 与平面AEF 所成角的大小.

例7:如图,PA ABC ⊥平面

,1,AC BC PA AC BC ⊥===A PB C --的大小。

点评:如果,AB CD 分别是二面角l αβ--两个面内的两条直线,且,,A l C l ∈∈

,AB l CD l ⊥⊥,则二面角的大小为,AB CD <>

x

z

转化

转化 例8:如图,在底面是直角梯形的四棱锥S-ABCD 中,∠ABC = 90°,SA ⊥面ABCD ,SA = AB = BC = 1,21=AD .求面SCD 与面SBA 所成的二面角的正切值.

点评:用向量知识求二面角的大小时,是将二面角的问题转化为两平面的法向量的夹角问题,

(1)当法向量12n n

与的方向分别指向二面角内侧与外侧时,二面角的大小等于法向量12n n

与的夹角的大小。

(2)当法向量12n n

与的方向同时指向二面角的内侧或外侧时,二面角的大小等于法向量12n n 与的夹角的补角12,n n π-<>

三、利用向量知识解决平行与垂直问题。

例9:如图, 在直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,AC =3,BC =4,AA 1=4,5AB =,点D 是AB 的中点, (I )求证:AC ⊥BC 1; (

II )求证:A 1

C //平面CDB 1;

点评:平行问题的转化:

面面平行线面平行线线平行;

例10.如图,在长方体ABCD —A 1B 1C 1D 1,中,AD=AA 1=1,AB=2,点

E 在棱AD 上移动. (1)证明:D 1E ⊥A 1D ;

(2)当E 为AB 的中点时,求点E 到面ACD 1的距离; (3)AE 等于何值时,二面角D 1—EC —D 的大小为4

π. .

四、利用向量知识解决立体几何中的探索性问题。

例11.如图,在直三棱柱111ABC A B C -中,13,4,5,4AC BC AB AA ==== (1)求证1;AC BC ⊥(2)在AB 上是否存在点D 使得1?AC CD ⊥ (3)在AB 上是否存在点D 使得11//AC CDB 平面

A

A 1

A

1

C B

C

D

1

A 1

B

五、专题突破:

1、如图:已知二面角l αβ--的大小为120

,点,,A B AC l αβ∈∈⊥于点C ,

BD l D ⊥于,且1AC CD DB ===,求 (1)直线AB CD 与所成角的大小,(2)直线AB CD 与的距离。

2、如图,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. (Ⅰ)求证:EF ⊥CD ;

(Ⅱ)在平面PAD 内求一点G ,使GF ⊥平面PCB ,并证明你的结论; (Ⅲ)求DB 与平面DEF 所成角的大小.

3、如图, 在直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,∠ACB=90°,

AA 1

为侧棱CC 1上一点, 1AM BA ⊥. (1)求证: AM ⊥平面1A BC ; (2)求二面角B -AM -C 的大小; (3)求点C 到平面ABM 的距离.

4、如图,1111ABCD A BC D -是正四棱柱,侧棱长为3,底面边长为2,E 是棱BC 的中点。

(Ⅰ)求证:1BD //平面1C DE ; (Ⅱ)求二面角1C DE C --的大小

(Ⅲ)在侧棱1BB 上是否存在点P ,使得CP ⊥平面1C DE ?证明你的结论。

l

A C B

D A

B

C

A

B

C

M

5、如图,在直三棱柱ABC —A 1B 1C 1中,∠ACB=90°,AC=BC=CC 1=2. (I )证明:AB 1⊥BC 1;

(II )求点B 到平面AB 1C 1的距离. (III )求二面角C 1—AB 1—A 1的大小

6、( 2006年湖南卷)如图4,已知两个正四棱锥P-ABCD 与Q-ABCD 的高分别为1和2,AB=4.(Ⅰ)证明PQ ⊥平面ABCD; (Ⅱ)求异面直线AQ 与PB 所成的角; (Ⅲ)求点P 到平面QAD 的距离.

7、(2006年全国卷II )如图,在直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,AB =BC ,D 、E 分别为BB 1、AC 1的中点.

(Ⅰ)证明:ED 为异面直线BB 1与AC 1的公垂线;

(Ⅱ)设AA 1=AC =2AB ,求二面角A 1-AD -C 1的大小.

Q P A D

C

B

图4

B C

D E A 1

B 1

C 1

参考答案:

例1:解:设平面ABC 的法向量(,,),0,0n x y z n AB n AC =?=?=

,所以

(,,)(2,2,1)0(,,)(4,0,6)0x y z x y z ?-=??

?=?,32202460x y z x z

x z y z

?

-+==-??∴??+=??=-? 2,(3,2,2)z n =-=-

,cos ,n AD ∴<>=

所以设D 到平面ABC 的距离为d

,cos ,d AD n AD =?<>==

例2:

解:建立如图所示空间直角坐标系.O xyz -

(1,0,0),(0,1,0),(0,1,1),F B

C (1AM AC ==

,(1,0)BN BF AN AB AF a a ===

,0,MN AN AM a a =-=

MN ∴=

(2)

由MN =

min 22a MN =

= (3

)1(1,01),22

a MN =

=-

又11(0,1,1),(0,1,1)22MA MB =--=- 所以可求得平面MNA 与平面M N B 的法向量分别为12(1,1,1),(1,1,1)n n =--=

,所

121

cos ,3n n <>=

=- ,所以1arccos 3θπ=-

例3:解:如图建立坐标系,则111(1,0,0),(1,0,1),(1,1,1),(0,1,1)A A B C 111

(0,1,1),(1,1,0)AB AC ∴==- ,设MN 是直线11AC 与1AB

1111(0,,),(,,0)AN AB AM uAC u u λλλ=+==-

则11(,,0)(0,0,1

)(0,,)(,MN MA AA AN u u u λλλ=++=--++=

y

11120

203,2110

3MN AC u u MN AB u λλλ?=-???=-=????????

-=-?=????=-??

,111(,,)333MN MN =-?= 例4:

解:111111//,,//BC AD AD ACD BC ACD ?∴ 平面平面,同理11//,A B ACD 平面又

11,A B BC B =∴ 111平面A BC //平面ACD ,建立直角坐标系D xyz -,14,3,2AB BC CC === ,11(3,0,2),(3,4,0),(0,4,2)A B C

11(0,4,2),(3,0,2)A B BC ∴=-=- ,设(,,)n x y z =

为平面11A BC

向量,则110,420,n AB n AB y z ⊥??=?-=

由110320n BC n BC x z ⊥??=?-+=

不妨设1221

1,,,(,,1)2332

z y x n =∴==∴=

二、利用向量知识求线线角,线面角,二面角的大小。

例5:

解:(1)如图建立坐标系,则'

(0,0,),(,,0),(0,,0),(,

,0)2

a

A a C a a D a E a '

(,,),(,,0)2

a AC a a a DE a ∴=-=- ,

''

'cos ,15AC DE AC DE AC DE

?∴<>==

? 故'

AC DE 与所成的角为 (2),ADE ADF ∠=∠ 所以AD 在平面'

B EDF 内的射影在EDF ∠的平分线上,又

'B EDF 为菱形,'DB ∴为EDF ∠的平分线,故直线AD 与平面'B EDF 所成的角为'ADB ∠,建立如图所示坐标系,则'(0,0,0),(,0,),(0,,0)A B a a D a ,

'

(0,,0),(,,)DA a DB a a a ∴=-=- ,'''cos ,3DA DB DA DB DA DB

?∴<>==?

故AD 与平面'

B EDF 所成角为y

由'

'

(0,0,0),(0,0,),(,0,),(0,,0),(,

,0)2

a

A A a

B a a D a E a 所以平面ABCD 的法向量为'

(0,0,)m AA a == 下面求平面'

B E D F 的

法向量,设(1,,)n y z = ,由'

(,,0),(0,,)22a a ED a EB a =-=- ,'0210n ED y z n EB ??==??∴???

=?

?=??

,(1,2,1)n ∴=

cos ,m n n m m n

?∴<>==?

,所以平面'

B EDF 与平面ABCD

所成的角点评:(1)设12,l l 是两条异面直线,,A B 是1l 上的任意两点,,C D 是直线2l 上的任意两点,

则12,l l 所成的角为arccos AB CD

AB CD

??

(2)设AB 是平面α的斜线,且,B BC α∈是斜线AB 在平面α内的射影,则斜线AB 与

平面α所成的角为arccos AB BC

AB BC

??

(3)设12,n n 是二面角l αβ--的面,αβ的法向量,则12

1212

,cos n n n n arc n n ?<>=?

就是

二面角的平面角或补角的大小。 例6:

(Ⅰ)证明:建立空间直角坐标系(如图),设AD=PD=1,AB=2a (0a >),则E(a,0,0),

C(2a,0,0), A(0,1,0), B(2a,1,0), P(0,0,1), 11(,,22F a .得11

(0,,)22

EF = ,(2,1,1)PB a =- ,(2,0,0)AB a = . 由11

(0,,(2,0,0)022

EF AB a ?=?= ,得EF AB ⊥ ,即EF AB ⊥,

同理EF PB ⊥,又AB PB B = , 所以,EF ⊥平面PAB.

(Ⅱ)解:由AB =

,得2a =

2

a =

.

得E

,11,)22F

,C .

有1,0)AC =-

,1,0)AE =- ,11(0,,22EF = . 设平面AEF 的法向量为(,,1)n x y =,

由00

n EF n AE ??=???=??

11(,,1)(0,,)022(,,1)1,0)0x y x y ??=??????-=?

?1102

20y x y ?+=???-=,

解得1

y x =-???=??

于是(1,1)n =-.

设AC 与面AEF 所成的角为θ,AC 与n 的夹角为,AC n <>

.

则sin cos ,6AC n AC n AC n

θ?=<>===?

.

得arcsin

6

θ=. 所以,AC 与平面AEF

所成角的大小为. 点评:设n

是平面α的法向量,AB 是平面α的一条斜线,则AB 与平面α所成的角为

arccos 2AB n AB n AB n AB n

π

??-?? ,或者arcsin 。 例7: 解:建立如图所示空间直角坐标系C xyz -,取PB 的中点D ,连,DC 可证DC PB ⊥,

作AE PB ⊥于E ,则向量DC EA

与的夹角的大小为二面角A PB C --

的大小。

(1,0,0),(0,0,0),(1,0,1)A B C P ,D 为PB 的中点,

11

(,)222

∴,在Rt PAB 中,

2213PE AP EB AB ==, 13E PB ∴ 分的比为

,3313

(,)(,)444444

E EA ∴∴=--

11(,)222DC =---

,1,2EA DC EA ?==

1

1,cos ,3DC EA DC =<>==

∴二面角A PC C --

的大小为arc 例8:

z

转化

转化

解:如图建立直角坐标系,则1

(0,1,0),(,0,0),(1,1,0),(0,0,1)2

B D

C S

1

1

(,0,0),(1,1,

1),(,0,1)22AD SC SD ==-=- ,,SA ABCD AD SAB ⊥∴⊥ 平面平面

所以AD 是平面SAB 的一个法向量。设平面SCD 的一个法向量(,,)n x y z =

由0,0n SC n SC n SD n SD ??⊥?=?????⊥?=????

,02102

x y z x z y z x z +-=?=??∴???=--=??? 令1,(2,1,1)z n ==- ,cos ,AD n AD n AD n

?∴<>==

? tan ,AD n ∴<>= 平面SCD 与平面SAB 点评:用向量知识求二面角的大小时,是将二面角的问题转化为两平面的法向量的夹角问题,(1)当法向量12n n

与的方向分别指向二面角内侧与外侧时,二面角的大小等于法向量

12n n

与的夹角的大小。

(2)当法向量12n n

与的方向同时指向二面角的内侧或外侧时,二面角的大小等于法向量12n n 与的夹角的补角12,n n π-<>

三、利用向量知识解决平行与垂直问题。

例9:解:∵直三棱柱ABC -A 1B 1C 1底面三边长AC =3,BC =4,AB =5,∴AC 、BC 、C 1C 两两垂直,如图,以C 为坐标原点,直线CA 、CB 、C 1C 分别为x 轴、y 轴、z 轴,建立空间直角坐标系,则C (0,0,0),A (3,0,0),C 1(0,0,4),B (0,4,0),B 1(0,4,4),D (

2

3

,2,0) (1)∵=(-3,0,0),1BC =(0,-4,0),∴?1BC =0,∴AC ⊥BC 1. (2)设CB 1与C 1B 的交战为E ,则E (0,2,2).∵=(-

2

3

,0,2),1AC =(-3,0, 4),∴112

DE AC = ,∴DE ∥AC 1. ∵ DE ?平面CDB 1,AC 1?平面CDB 1,∴ AC 1//平面

CDB 1;

点评:平行问题的转化: 面面平行线面平行线线平行;

例10. 解:以D 为坐标原点,直线DA ,DC ,DD 1分别为,,x y z 轴,建立空间直角坐标系,设AE=x ,则A 1(1,0,1),D 1(0,0,1),E (1,x ,0),A (1,0,0)C (0,2,0) (1).,0)1,,1(),1,0,1(,1111E D DA x E D DA ⊥=-=所以因为 (2)因为E 为AB 的中点,则E (1,1,0),从而

)0,2,1(),1,1,1(1-=-=D ,

)1,0,1(1-=AD ,设平面ACD 1的法向量为),,(c b a n =,则10,

0,

n AC n AD ??=???=??

也即???=+-=+-002c a b a ,得?

??==c a b a 2,从而)2,1,2(=n ,所以点E 到平面AD 1C 的距离为

.3

1

3212|

|1=-+=

=

n h (3)设平面D 1EC 的法向量),,(c b a =,∴),1,0,0(),1,2,0(),0,2,1(11=-=-=DD D x

由10,20

(2)0.0,

n D C b c a b x n CE ??=-=?????+-=?=???

令b=1, ∴c=2,a=2-x , ∴).2,1,2(x -=

依题意11||cos 422||||n DD n DD π?==?=?

∴321+=x (不合,舍去),322-=x . ∴AE=32-时,二面角D 1—EC —D 的大小为

4

π. 四、利用向量知识解决立体几何中的探索性问题。

例11.解:直三棱柱111ABC A B C -,13,4,5,,,AC BC AB AC BC CC ===两两垂直,以

C 为坐标原点,

直线1,,CA CB CC 分别为x 轴y 轴,z 轴,建立空间直角坐标系, 则1(0,0,4),(3,0,0),(0,0,4)C A C ,1(0,4,0),(0,4,4)B B

(1)1(3,0,0),(0,4,4)AC BC =-=- ,110,AC BC AC BC ∴?=∴⊥

AC BC ∴⊥

(2)假设在AB 上存在点D ,使得1AC CD ⊥,则(3,4,0)AD AB λλλ==-

A

A

其中01λ≤≤,则(33,4,0)D λλ-,于是(33,4,0)CD λλ=-

由于1(3,0,4)AC =- ,且1AC CD ⊥

所以990λ-+=得1λ=,所以在AB 上存在点D 使得1AC CD ⊥,且这时点D 与点B 重合。

(3)假设在AB 上存在点D 使得11//AC CDB 平面,则(3,4,0)AD AB λλλ==-

其中

01λ≤≤则(33,4,0)D λλ-,1(33,44,4)B D λλ=--- 又1

(0,4,4).BC =--

由于1(3,0,4)AC =- ,11//AC CDB 平面,所以存在实数111,,m n AC mB D nBC =+ 使成立,

(33)3,(44)40,444,m m n m n λλ∴-=---=--=所以1

2

λ=

,所以在AB 上存在点D 使得11//AC CDB 平面,且D 使AB 的中点。

总结:向量有一套良好的运算性质,它可以把几何图形的性质转化为向量运算,实现了数与形的结合,在解决立体几何的距离与夹角、平行与垂直、探索性等问题中体现出巨大的优越性,请同学们认真领会。 五、专题突破:

1解:设,,,AC a CD b DB c === 1,a b c === ,,90,,60a b b c a c <>=<>=<>=

,2AB == ,

(1)2()1

cos ,212AB CD a b c b b AB CD a b c b AB CD

?++?∴<>===

=?++?? , ,AB CD ∴所成的角为60

(2)设与,AB CD 都垂直的非零向量,n xa yb zc =++

由,n AB n CD ⊥⊥ 得

()()0()0xa yb zc a b c xa yb zc b ?++?++=??++?=??

3230

0x y z y ++=?∴?=?,令1,1,x z n a c ==-∴=-

得,

设AB CD 与的距离为d

,12AC n d n ?∴=== 2、解:以DA 、DC 、DP 所在直线为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角

坐标系(如图),设AD=a ,则D (0,0,0)、A (a,0,0)、B(a,a,0)、C(0,a,0))0,2,

(a a E 、)2

,2,2(a

a a F 、).,0,0(a P

(Ⅰ),0)0,,0()2

,0,2(=?-

=?a a

a DC EF .DC EF ⊥∴ (Ⅱ).),,0,(PAD G z x G 平面则设∈

2(,,),

222

(,,)(,0,0)()0,;

22222

(,,)(0,,)()0,0.

22222(,0,0),.

2

a a a FG x z a a a a a FG CB x z a a x x a a a a a

FG CP x z a a a z z a

G G AD =---?=---?=-==?=---?-=+-==∴ 点坐标为即点为的中点(Ⅲ)设平面DEF 的法向量为).,,(z y x =

(,,)(,,)0,0,222

0(,,)(,,0)0,

2

()0,21,2,1,0.2

(1,2,1).cos ,,6

||||ar 2a a a x y z n DF a n DE x y z a a

x y z x y z a ax y BD n n BD n BD n DB DEF π??=???=?????=????=???++=??==-=??+=???∴=-<>===∴-

由得即取则与平面

所成角大小为ccos (arcsin 66

3、证明:(1)在直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,易知面ACC 1A 1⊥面ABC ,

∵∠ACB=90°,∴BC ⊥面ACC 1A 1,∵AM ?面ACC 1A 1,∴BC ⊥AM ∵1AM BA ⊥,且1BC BA B = ,∴ AM ⊥平面1A BC

解:(2)如图以C 为原点,CA ,CB , CC 1所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴,建立空间直角坐标

系,则10,0),6),

(0,1,0)A A B ,设1(0,0,)M z ∵1AM BA ⊥,∴10AM BA ?=

即1300-+=

,故1z =

,所以M 设向量(,,)m x y z = 为平面AMB 的法向量,则,m AM m AB ⊥⊥ ,则0

m AM m AB ??=???=??

y

?

+=

?

?

?+=

?

,令x=1,的平面AMB

的一个法向量为m=

,显然向量CB

是平面AMC的一个法向量,

cos,

2

||||

m CB

m CB

m CB

?

<>==

?

易知,m

与CB

所夹的角等于二面角B-AM-C的大小,故所求二面角的大小为45°.(3)向量CB

在法向量m

上的投影的长

||

||

m CB

m

?

即为所求距离,∵

||

2

||

m CB

m

?

==

∴点C到平面ABM

4、(Ⅰ)建立空间直角坐标系D xyz

-,如图,则又

(0,0,0)

D,(2,2,0)

B,(0,2,0)

C,

1

(0,2,3)

C,

1

(0,0,3)

D,(1,2,0)

E

连接

1

CD,与

1

C D相交于O,连接EO易知O(0,1,1.5)

1

(2,2,3),(1,1,1.5)

BD EO

=--=--

1

2

BD EO

=

1

//

EO BD

1

BD?平面

1

C DE,EO?平面

1

C DE∴

1

//

BD平面

1

C DE

(Ⅱ)解:过点C做CH DE

⊥于H,连接

1

C H,在正四棱柱

1111

ABCD A BC D

-中,

1

CC⊥

平面ABCD∴

1

C H DE

⊥,

1

C HC是二面角

1

C DE C

--的平面角

根据平面几何知识,易得(0.8,1.6,0)

H∴

1

(0.8,0.4,0),(0.8,0.4,3)

HC HC

=-=-

∵1

11

1

2

cos cos()

7

HC HC

C HC HC HC

HC HC

===

1

2

arccos

7

C HC

∠=∴二面角

1

C DE C

--的大小为

2

arccos

7

(Ⅲ)解:在侧棱

1

BB上不存在点P,使得CP⊥平面

1

C DE

证明如下:假设CP⊥平面

1

C DE,则必有CP DE

设(2,2,)

P a,其中03

a

≤≤,则20

CP DE=≠

,这显然与CP DE

⊥矛盾

∴假设CP⊥平面

1

C DE不成立,即在侧棱

1

BB上不存在点P,使得CP⊥平面

1

C DE

5、(1)如图建立直角坐标系,其中C为坐标原点.依题意A(2,0,0),B(0,2,0),B1

(0,2,2),C 1(0,0,2),因为0)2,2,0()2,2,2(11=-?-=?BC AB ,所以AB 1⊥BC 1. (2)设),,(1111z y x n =是平面AB 1C 1的法向量, 由0,01111=?=?AC n AB n 得

??

?=+-=++-,0,

01

1111z x z y x 所以???==,,0111z x y 令11=z ,则)1,0,1(1=n , 因为)0,2,2(-=,所以,B 到平面AB 1C 1的距离为2|

|11==

n d .

(3)设),,(2222z y x n =是平面A 1AB 1的法向量.由得,0,0122=?=?AA n AB n

??

?==???==+-,

0,

.0,0222222z y x z y x 所以 令2y =1,则),0,1,1(2=n 因为2

1

2

21|

||,|,cos 212121=

=

>

所以)2,0,22(--=

1)PB =-

于是1

cos ,6

AQ PB AQ PB AQ PB ?<>==

=?

. 从而异面直线AQ 与PB 所成的角是3

1

arccos .

(Ⅲ)由(Ⅱ),点D 的坐标是(0,-22,0),)0,22,22(--=AD ,

(0,0,3)PQ =-

,设),,(z y x n =是平面QAD 的一

个法向量,由

?????=?=?0

0AD n 得?????=+=+00

2y x z x .取x =1,得)2,1,1(--=n . 所以点P 到平面QAD

的距离2PQ n d n

?==

. 7、(Ⅰ)如图,建立直角坐标系O -xyz ,其中原点O 为AC 的中点.

设A (a ,0,0),B (0,b ,0),B 1(0,b ,2c ). 则C (-a ,0,0),C 1(-a ,0,2c ),E (0,0,c ),D (0,b ,c ). ED →=(0,b ,0),BB 1→=(0,0,2c ).

ED →·BB 1→=0,∴ED ⊥BB 1.又AC 1→=(-2a ,0,2c ),

ED →·AC 1→=0,∴ED ⊥AC 1, 所以ED 是异面直线BB 1与AC 1

(Ⅱ)不妨设A (1,0,0),则B (0,1,0),C (-1,0,0),A 1(1,0,2), BC →=(-1,-1,0),AB →=(-1,1,0),AA 1→

=(0,0,2), BC →·AB →=0,BC →·AA 1→=0,即BC ⊥AB ,BC ⊥AA 1,又AB ∩AA 1=A , ∴BC ⊥平面A 1A D .

又 E (0,0,1),D (0,1,1),C (-1,0,1),

EC →=(-1,0,-1),AE →=(-1,0,1),ED →

=(0,1,0), EC →·AE →=0,EC →·ED →=0,即EC ⊥AE ,EC ⊥ED ,又AE ∩ED =E ,

∴ EC ⊥面C 1A D . cos <EC →,BC →>=EC →·BC →

|EC →|·|BC →|=1

2,即得EC →和BC →的夹角为60°.所

以二面角A 1-AD -C 1为60°.

C

立体几何中的向量方法(一)——证明平行与垂直

立体几何中的向量方法(一)——证明平行与垂直 1.直线的方向向量与平面的法向量的确定 (1)直线的方向向量:在直线上任取一非零向量作为它的方向向量. (2)平面的法向量可利用方程组求出:设a ,b 是平面α两不共线向量,n 为平面α的法向量,则求法向量的方程组为???? ? n ·a =0,n ·b =0. 2.用向量证明空间中的平行关系 (1)设直线l 1和l 2的方向向量分别为v 1和v 2,则l 1∥l 2(或l 1与l 2重合)?v 1∥v 2. (2)设直线l 的方向向量为v ,与平面α共面的两个不共线向量v 1和v 2,则l ∥α或l ?α?存在两个实数x ,y ,使v =x v 1+y v 2. (3)设直线l 的方向向量为v ,平面α的法向量为u ,则l ∥α或l ?α?v ⊥u . (4)设平面α和β的法向量分别为u 1,u 2,则α∥β?u 1 ∥u 2. 3.用向量证明空间中的垂直关系 (1)设直线l 1和l 2的方向向量分别为v 1和v 2,则l 1⊥l 2?v 1⊥v 2?v 1·v 2=0. (2)设直线l 的方向向量为v ,平面α的法向量为u ,则l ⊥α?v ∥u . (3)设平面α和β的法向量分别为u 1和u 2,则α⊥β?u 1⊥u 2?u 1·u 2=0. 【思考辨析】 判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”) (1)直线的方向向量是唯一确定的.( ) (2)平面的单位法向量是唯一确定的.( ) (3)若两平面的法向量平行,则两平面平行.( ) (4)若两直线的方向向量不平行,则两直线不平行.( ) (5)若a ∥b ,则a 所在直线与b 所在直线平行.( ) (6)若空间向量a 平行于平面α,则a 所在直线与平面α平行.( ) 1.下列各组向量中不平行的是( )

立体几何中的向量方法

立体几何中的向量方法(二)——求空间角和距离 1. 空间向量与空间角的关系 (1)设异面直线l 1,l 2的方向向量分别为m 1,m 2,则l 1与l 2所成的角θ满足cos θ=|cos 〈m 1,m 2〉|. (2)设直线l 的方向向量和平面α的法向量分别为m ,n ,则直线l 与平面α所成角θ满足sin θ=|cos 〈m ,n 〉|. (3)求二面角的大小 1°如图①,AB 、CD 是二面角α—l —β的两个面内与棱l 垂直的直线,则二面角的大小θ=〈AB →,CD →〉. 2°如图②③,n 1,n 2分别是二面角α—l —β的两个半平面α,β的法向量,则二面角的大小θ满足cos θ=cos 〈n 1,n 2〉或-cos 〈n 1,n 2〉. 2. 点面距的求法 如图,设AB 为平面α的一条斜线段,n 为平面α的法向量,则B 到 平面α的距离d =|AB → ·n | |n | . 1. 判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)

(1)两直线的方向向量所成的角就是两条直线所成的角. ( × ) (2)直线的方向向量和平面的法向量所成的角就是直线与平面所成的角. ( × ) (3)两个平面的法向量所成的角是这两个平面所成的角. ( × ) (4)两异面直线夹角的范围是(0,π2],直线与平面所成角的范围是[0,π 2],二面角的 范围是[0,π]. ( √ ) (5)直线l 的方向向量与平面α的法向量夹角为120°,则l 和α所成角为30°. ( √ ) (6)若二面角α-a -β的两个半平面α、β的法向量n 1,n 2所成角为θ,则二面角α- a -β的大小是π-θ. ( × ) 2. 已知二面角α-l -β的大小是π 3 ,m ,n 是异面直线,且m ⊥α,n ⊥β,则m ,n 所成 的角为 ( ) A.2π3 B.π 3 C.π 2 D. π6 答案 B 解析 ∵m ⊥α,n ⊥β, ∴异面直线m ,n 所成的角的补角与二面角α-l -β互补. 又∵异面直线所成角的范围为(0,π 2], ∴m ,n 所成的角为π 3 . 3. 在空间直角坐标系Oxyz 中,平面OAB 的一个法向量为n =(2,-2,1),已知点P (-1,3,2),

用向量方法解立体几何题(老师用)

用向量方法求空间角和距离 在高考的立体几何试题中,求角与距离是常考查的问题,其传统的“三步曲”解法:“作图、证明、解三角形”,作辅助线多、技巧性强,是教学和学习的难点.向量进入高中教材,为立体几何增添了活力,新思想、新方法与时俱进,本专题将运用向量方法简捷地解决这些问题. 1 求空间角问题 空间的角主要有:异面直线所成的角;直线和平面所成的角;二面角. (1)求异面直线所成的角 设a 、b 分别为异面直线a 、b 的方向向量, 则两异面直线所成的角α=arccos |||||| a b a b (2)求线面角 设l 是斜线 l 的方向向量,n 是平面α的法向量, 则斜线l 与平面α所成的角α=arcsin |||||| l n l n (3)求二面角 法一、在α内a l ⊥,在β内b l ⊥,其方向如图,则二面角l αβ--的平面角α=arccos |||| a b a b

法二、设12,,n n 是二面角l αβ --的两个半平面的法向量, 其方向一个指向内侧,另一个指向外侧,则二面角l α β --的平面角α=12 12arccos |||| n n n n 2 求空间距离问题 构成空间的点、线、面之间有七种距离,这里着重介绍点面距离的求法,象异面直线间的距离、线面距离;面面距离都可化为点面距离来求. (1)求点面距离 法一、设n 是平面α的法向量,在α内取一点B, 则 A 到α的距离|| |||cos ||| AB n d AB n θ== 法二、设A O α ⊥于O,利用A O α ⊥和点O 在α内 的向量表示,可确定点O 的位置,从而求出||A O . (2)求异面直线的距离 法一、找平面β使b β?且a β ,则异面直线a 、b 的距离就转化为直线a 到平面β的距离,又转化为点A 到平面β的距离. 法二、在a 上取一点A, 在b 上取一点B, 设a 、b 分别 为异面直线a 、b 的方向向量,求n (n a ⊥ ,n b ⊥ ),则 异面直线a 、b 的距离|| |||cos ||| AB n d AB n θ== (此方法移植 于点面距离的求法).

高中数学向量法解立体几何总结

向量法解立体几何 1、直线的方向向量和平面的法向量 ⑴.直线的方向向量:若A 、B 是直线l 上的任意两点,则AB 为直线l 的一个方向向量;与AB 平行的任意非零向量也是直线l 的方向向量. ⑵.平面的法向量:若向量n 所在直线垂直于平面α,则称这个向量垂直于平面α,记作 n α⊥,如果n α⊥,那么向量n 叫做平面α的法向量. ⑶.平面的法向量的求法(待定系数法): ①建立适当的坐标系. ②设平面α的法向量为(,,)n x y z =. ③求出平面内两个不共线向量的坐标123123(,,),(,,)a a a a b b b b ==. ④根据法向量定义建立方程组0 n a n b ??=???=??. ⑤解方程组,取其中一组解,即得平面α的法向量. 2、用向量方法判定空间中的平行关系 ⑴线线平行。设直线12,l l 的方向向量分别是a b 、 ,则要证明1l ∥2l ,只需证明a ∥b ,即()a kb k R =∈.⑵线面平行。设直线l 的方向向量是a ,平面α的法向量是u ,则要证明l ∥ α,只需证明a u ⊥,即0a u ?=. ⑶面面平行。若平面α的法向量为u ,平面β的法向量为v ,要证α∥β,只需证u ∥v ,即证u v λ=. 3、用向量方法判定空间的垂直关系⑴线线垂直。设直线12,l l 的方向向量分别是a b 、 ,则要证明12l l ⊥,只需证明a b ⊥,即0a b ?=.⑵线面垂直 ①(法一)设直线l 的方向向量是a ,平面α的法向量是u ,则要证明l α⊥,只需证明a ∥u ,即a u λ=. ②(法二)设直线l 的方向向量是a ,平面α内的两个相交向量分别为m n 、 ,若

立体几何中的向量方法总结

立体几何中的向量方法基础篇一(几何证明) 一.求直线方向向量 1.已知()()4,2,2,2,1,1B A -且),,6(y x a =为直线AB 的方向向量,求y x ,。 二.平面的法向量 2.在空间中,已知()()()0,1,1,1,1,0,1,0,1C B A ,求平面ABC 的一个法向量。 3.如图,在四棱锥ABCD P -中,底面ABCD 为正方形, 2,==⊥DC PD ABCD PD 平面,E 为PC 中点 (1)分别写出平面PDC ABCD PAD ,,的一个法向量; (2)求平面EDB 的一个法向量; (3)求平面ADE 的一个法向量。 三.向量法证明空间平行与垂直 1.如图,已知正方形ABCD 和矩形ACEF 所在的平面互相垂直,M AF AB ,1,2== 为EF 的中点,求 证:BDE AM 平面//

2. 如图,正方体''''D C B A ABCD -中,F E ,分别为CD BB ,'的中点,求证:ADE F D 平面⊥'。 3. 如图,在四棱锥ABCD E -中,BCE CD BCE AB 平面平面⊥⊥, 0120,22=∠====BCE CD CE BC AB ,求证:平面ABE ADE 平面⊥。 巩固练习: 1. 如图,在正方体''''D C B A ABCD -中,P 是'DD 的中点,O 是底面ABCD 的中心, (1)求证:O B '为平面PAC 的一个法向量;(2)求平面CD B A ''的一个法向量。

2. 如图,在直棱柱'''C B A ABC -中,4',5,4,3====AA AB BC AC (1)求证:'BC AC ⊥ (2)在AB 上是否存在点D ,使得'//'CDB AC 平面,若存在,确定D 点位置,若不存在,说明理由。 3. 如图,已知长方体''''D C B A ABCD -中,2==BC AB ,E AA ,4'=为'CC 的上的点,C B BE '⊥, 求证:BED C A 平面⊥' 4. 在三棱柱'''C B A ABC -中,1',2,,'===⊥⊥AA BC AB BC AB ABC AA 平面,E 为'BB 的中点,求证:C C AA AEC '''平面平面⊥

利用法向量解立体几何题

利用法向量解立体几何题 一、运用法向量求空间角 向量法求空间两条异面直线a, b 所成角θ,只要在两条异面直线a, b 上各任取一个向量 ''AA BB 和,则角<','AA BB >=θ或π-θ,因为θ是锐角,所以cos θ= '''' AA BB AA BB ??, 不需 要用法向量。 1、运用法向量求直线和平面所成角 设平面α的法向量为n =(x, y, 1),则直线AB 和平面α所成的角θ的正弦值为 sin θ= cos( 2 π -θ) = |cos| = AB AB n n ?? 2、运用法向量求二面角 设二面角的两个面的法向量为12,n n ,则<12,n n >或π-<12,n n >是所求角。这时要借助图形来判断所求角为锐角还是钝角,来决定<12,n n >是所求,还是π-<12,n n >是所求角。 二、运用法向量求空间距离 1、求两条异面直线间的距离 设异面直线a 、b 的公共法向量为(,,)n x y z =,在a 、b 上任取一点A 、B ,则异面直线a 、b 的距离 d =AB ·cos ∠BAA ' = || || AB n n ? 略证:如图,EF 为a 、b 的公垂线段,a '为过F 与a 平行的直线, 在a 、b 上任取一点A 、B ,过A 作AA '// EF ,交a '于A ' , A

则?ˉ //AA n ,所以∠BAA ' =<,BA n >(或其补角) ∴异面直线a 、b 的距离d =AB ·cos ∠BAA ' = || || AB n n ? * 其中,n 的坐标可利用a 、b 上的任一向量,a b (或图中的,AE BF ),及n 的定义得 0n a n a n b n b ??⊥?=?????⊥?=??? ? ① 解方程组可得n 。 2、求点到面的距离 求A 点到平面α的距离,设平面α的法向量法为(,,1)n x y =,在α内任取一点B ,则A 点到平面α的距离为 d = || || AB n n ?,n 的坐标由n 与平面α内的两个不共线向量的垂直关系,得到方程组(类似于前面所述, 若方程组无解,则法向量与XOY 平面平行,此时可改设 (1,,0)n y =,下同)。 3、求直线到与直线平行的平面的距离 求直线a 到平面α的距离,设平面α的法向量法为(,,1)n x y =,在直线a 上任取一点A , 在平面α内任取一点B ,则直线a 到平面α的距离 d = || || AB n n ? 4、求两平行平面的距离 设两个平行设平面α、β的公共法向量法为(,,1)n x y =,在平面α、β内各任取一点A 、 B ,则平面α到平面β的距离 d = || || AB n n ? 三、证明线面、面面的平行、垂直关系 设平面外的直线a 和平面α、β,两个面α、β的法向量为12,n n ,则 1a//a n α?⊥ 1a a//n α⊥? 12////n n αβ? 12n n αβ⊥?⊥

用向量方法解立体几何题

用向量方法求空间角和距离 前言: 在高考的立体几何试题中,求角与距离是常考查的问题,其传统的“三步曲”解法:“作图、证明、解三角形”,作辅助线多、技巧性强,是教学和学习的难点.向量进入高中教材,为立体几何增添了活力,新思想、新方法与时俱进,本专题将运用向量方法简捷地解决这些问题. 1.求空间角问题 空间的角主要有:异面直线所成的角;直线和平面所成的角;(平面和平面所成的角)二面角. (1)求异面直线所成的角 设a r 、b r 分别为异面直线a 、b 的方向向量, 则两异面直线所成的角α=arccos ||||||a b a b r r g r r (2)求线面角 设l r 是斜线l 的方向向量,n r 是平面α的法向量, 与平面α所成的角α=arcsin |||||| l n l n r r g r r 则斜线l (3)求二面角

方法一:在α内a r l ⊥,在β内b r l ⊥,其方向如图,则二面角l αβ--的平面角 α=arccos |||| a b a b r r g r r 方法二:设12,,n n u r u u r 是二面角l αβ--的两个半平面的法向量,其方向一个指向内侧,另一个指向外侧,则二面角l αβ--的平面角 α=1212arccos |||| n n n n u r u u r g u r u u r 2.求空间距离问题 构成空间的点、线、面之间有七种距离,这里着重介绍点面距离的求法,像异面直线间的 距离、线面距离、面面距离都可化为点面距离来求. (1)求点面距离 方法一:设n r 是平面α的法向量,在α内取一点B, 则 A 到 α的距离|| |||cos ||| AB n d AB n θ==u u u r r u u u r g r 方法二:设AO α⊥于O,利用AO α⊥和点O 在α内 的向量表示,可确定点O 的位置,从而求出||AO uuu r . (2)求异面直线的距离 方法一:找平面β使b β?且a βP ,则异面直线a 、b 的距离就转化为直线a 到平面β的距离,又转化为点A 到平面β的距离. a r 、 b r 分别为异面直线a 、b 的方向 法二:在a 上取一点A, 在b 上取一点B, 设

利用空间向量解立体几何(完整版)

向量法解立体几何 引言 立体几何的计算和证明常常涉及到二大问题:一是位置关系,它主要包括线线垂直,线面垂直,线线平行,线面平行;二是度量问题,它主要包括点到线、点到面的距离,线线、线面所成角,面面所成角等。教材上讲的比较多的主要是用向量证明线线、线面垂直及计算线线角,而如何用向量证明线面平行,计算点到平面的距离、线面角及面面角的例题不多,给老师对这部分内容的教学及学生解有关这部分内容的题目造成一定的困难,下面主要就这几方面问题谈一下自己的想法,起到一个抛砖引玉的作用。 一、基本工具 1.数量积: cos a b a b θ?= 2.射影公式:向量a 在b 上的射影为 a b b ? 3.直线0Ax By C ++=的法向量为 (),A B ,方向向量为 (),B A - 4.平面的法向量(略) 二、用向量法解空间位置关系 1.平行关系 线线平行?两线的方向向量平行 线面平行?线的方向向量与面的法向量垂直 面面平行?两面的法向量平行 2.垂直关系

线线垂直(共面与异面)?两线的方向向量垂直 线面垂直?线与面的法向量平行 面面垂直?两面的法向量垂直 三、用向量法解空间距离 1.点点距离 点()111,,P x y z 与()222,,Q x y z 的 距离为(PQ x =2.点线距离 求点()00,P x y 到直线:l 0Ax By C ++=的距离: 方法:在直线上取一点(),Q x y , 则向量PQ 在法向量 (),n A B =上的射影PQ n n ?= 即为点P 到l 的距离. 3.点面距离 求点()00,P x y 到平面α的距离: 方法:在平面α上去一点(),Q x y ,得向量PQ , 计算平面α的法向量n , 计算PQ 在α上的射影,即为点P 到面α的距离. 四、用向量法解空间角 1.线线夹角(共面与异面) 线线夹角?两线的方向向量的夹角或夹角的补角 2.线面夹角 求线面夹角的步骤:

用向量方法解立体几何题

用向量方法求空间角和距离前言: 在高考的立体几何试题中,求角与距离是常考查的问题,其传统的“三步曲”解法:“作图、证明、解三角形”,作辅助线多、技巧性强,是教学和学习的难点.向量进入高中教材,为立体几何增添了活力,新思想、新方法与时俱进,本专题将运用向量方法简捷地解决这些问题. 1.求空间角问题 空间的角主要有:异面直线所成的角;直线和平面所成的角;(平面和平面所成的角)二面角. (1)求异面直线所成的角 设a 、b 分别为异面直线a 、b 的方向向量, 则两异面直线所成的角α=arccos | |||||a b a b (2)求线面角 设l 是斜线l 的方 向向量,n 是平面α的法向量, α所成的角α=arcsin ||||||l n l n 则斜线l 与平面 (3)求二面角 方法一:在α内a l ⊥,在β内b l ⊥,其方向如图,则二面角l αβ --的平面角α=arccos |||| a b a b 12,,n n 是二面角l αβ--的两个半平面的方法二:设 法向量,其方向 一个指向内侧,另一个指向外侧,则二的平面角α=1212arccos |||| n n n n 面角l αβ--2.求空间距离问题 构成空间的点、线、面之间有七种距离,这里着重介绍点面距离的求法,像异面直线间的距离、线面距离、面面距离都可化为点面距离来求. (1)求点面距离 方法一:设n 是平面α的法向量,在α内取一点B, 则 A 到

α的距离|||||cos ||| AB n d AB n θ== 方法二:设AO α⊥于O,利用AO α⊥和点O 在α内 的向量表示, 可确定点O 的位置,从而求出||AO . (2)求异面直线的距离 方法一:找平面β使b β?且a β,则异面直线a 、b 的距离就 转化为直线a 到平面β的距离,又转化为点A 到平面β的距离. 方法二:在a 上取一点A, 在b 上 取一点B, 设a 、b 分别为异面直 线a 、b 的方向向量,求n (n a ⊥,n b ⊥),则异面直线a 、b 的距离|||||cos |||AB n d AB n θ==(此方法移植于点面距离的求法). 例1.如图,在棱长为2的正方体1111ABCD A B C D -中,E 、F 分别是 棱1111,A D A B 的中点. (Ⅰ)求异面直线1DE FC 与所成的角; (II )求1BC 和面EFBD 所成的角; (III )求1B 到面EFBD 的距离 解:(Ⅰ)记异面直线1DE FC 与所成的角为α, 则α等于向量1DE FC 与的夹角或其补角, 图建立空间坐标系D xyz -, (II )如1 1||||111111cos ||()()|||||| 222||,arccos DE FC DE FC DD D E FB B C DE FC αα∴=++=-==∴=

向量法解立体几何

中山二中2011届空间向量解立体几何 一、空间直角坐标系的建立及点的坐标表示 (1)若空间的一个基底的三个基向量互相垂直,且长为1,这个基底 叫单位正交基底,用{,,}i j k 表示; (2)在空间选定一点O 和一个单位正交基底 {,,}i j k ,以点O 为原点,分别以,,i j k 的方向为正 方向建立三条数轴:x 轴、y 轴、z 轴,它们都叫坐标轴.我们称建立了一个空间直角坐标系O xyz -, 点O 叫原点,向量,,i j k 都叫坐标向量.通过每两个坐标轴的平面叫坐标平面,分别称为 xOy 平面,yOz 平面,zOx 平面。 (3)作空间直角坐标系O xyz -时,一般使135xOy ∠=(或45),90yOz ∠=; (4)在空间直角坐标系中,让右手拇指指向x 轴的正方向,食指指向y 轴的正方向,如果中指指向z 轴的正方向,称这个坐标系为右手直角坐标系规 定立几中建立的坐标系为右手直角坐标系 (5)空间直角坐标系中的坐标:如图给定空间直角坐 标系和向量 a ,设,,i j k 123(,,)a a a ,使123a a i a j a k =++,有序实数组123(,,)a a a 作向量a 在空间直角坐标系O xyz -123(,,)a a a a =.在空间直角坐标系O xyz -中,对空间任 一点A ,存在唯一的有序实数组(,,)x y z ,使 OA xi yj zk =++,有序实数组(,,)x y z 叫作向量A 在空间直角坐标系O xyz -中的 坐标,记作(,,)A x y z ,x 叫横坐标,y 叫纵坐标,z 叫竖坐标. 二、空间向量的直角坐标运算律 (1)若123(,,)a a a a =,123(,,)b b b b =, 则112233(,,)a b a b a b a b +=+++, 112233(,,) a b a b a b a b -=---, 123(,,)()a a a a R λλλλλ=∈, 112233//,,()a b a b a b a b R λλλλ?===∈, (2)若111(,,)A x y z ,222(,,)B x y z ,则212121(,,)AB x x y y z z =---. 一个向量在直角坐标系中的坐标等于表示这个向量的有向线段的终点的坐标减去起点的坐标。 (3)//a b b a λ?=11 223 3()b a b a R b a λλλλ=?? ?=∈??=? 三、空间向量直角坐标的数量积 1、设,是空间两个非零向量,我们把数量><,cos |||| 规定:零向量与任一向量的数量积为0。 2、模长公式 2| |a a a x =?=+3、两点间的距离公式:若111(,,)A x y z ,222(,,)B x y z , 则2 ||(AB AB = =, 或,A B d = 4、夹角:cos |||| a b a b a b ??= ?. 注:①0(,a b a b a b ⊥??=是两个非零向量); ②2 2||a a a a =?=。 5、 空间向量数量积的性质: ①||cos ,a e a a e ?=<>.②0a b a b ⊥??=.③2||a a a =?.

专题:运用向量法证明立体几何问题

专题:运用向量法证明立体几何问题 一、知识点: 1、若向量m 与直线l 平行,则向量叫做直线l 的方向向量。 2、若⊥α,则叫做平面α的法向量。 (1)要证m 为平面α的法向量,只须让m 与平面α内的两条相交直线垂直。 (2)若χ轴与平面的法向量,可设为=(1,0,0) (3)若 y 轴为平面的法向量,可设为=(0,1,0) (4)若Z 轴为平面的法向量,可设为m =(0,0,1) 3、证明线面平行与线面垂直 若为平面α的法向量,n 为直线l 的方向向量,则 (1)l ⊥α?m ∥n ?m =λn (2)l ∥α ?m ⊥n ?m ·n =0 4、运用向量求角 (1)若两条异面直线l 1,l 2所成的角为 θ,为l 1 的方向向量, n 为l 2 的方向向量,则 cos (090)m n m n θθ=<≤ , (2)若两个平面12αα,所成的二面角的平面角为 θ,为1α的法向

量,为2α的法向量,则 cos (090)m n m n θθ=<≤ , 当二面角为锐时为θ;当二面角为钝角时为 π-θ。 (3)直线l 与平面α所成的角为θ,n 为直线l 的方向向量,m 为平面α 的法向量,则 sin (090)m n m n θθ=<≤ , 5、点P 到平面α的距离为d,若为平面α的法向量,A 为平面α内任 一点,则PA m d m = 例1.如图在四棱锥P-ABCD 中,底面AB 、CD 是正方形且边长为1,侧棱PD ⊥底面ABCD ,PD=DC ,点E 是PC 的中点,且F 的坐标是(31,31,3 2 )。 (1)求证:PA ∥平面EDB (2)求证:PB ⊥平面EFD 解:如图建立空间直角坐标系D xyz -。 设底面正方形的边长为1,则PD=1 D (0,0,0),P (0,0,1),A (1,0,0), B (1,1,0), C (0,1,0),E (0,21,2 1 ) (1)设(x,y,z)m = 为平面EDB 的法向量 则00m DB m DE ?=??=?? , 而(1,1,0)11(0,,)22 DB DE ?=??=?? ∴011022 x y y z +=?? ?+=?? , 即 x y z y =-??=-? 故m =(1,-1,1)(取Y=-1)

法向量解立体几何专题训练

法向量解立体几何专题训练 一、运用法向量求空间角 1、向量法求空间两条异面直线a, b 所成角θ,只要在两条异面直线a, b 上各任取一个向量''AA BB 和,则角<','AA BB >=θ或π-θ,因为θ是锐角,所以cos θ= '''' AA BB AA BB ??, 不 需要用法向量。 2、设平面α的法向量为n =(x, y, 1),则直线AB 和平面α所成的角θ的正弦值为sin θ= cos( 2π -θ) = |cos| = AB AB n n ?? 3、 设二面角的两个面的法向量为12,n n ,则<12,n n >或π-<12,n n >是所求角。这时要借助图形来判断所求角为锐角还是钝角,来决定<12,n n >是所求,还是π-<12,n n >是所求角。 二、运用法向量求空间距离 1、求两条异面直线间的距离 设异面直线a 、b 的公共法向量为(,,)n x y z =,在a 、b 上任取一点 A 、B ,则异面直线a 、b 的距离d =AB ·cos ∠BAA '=|| || AB n n ? 2、求点到面的距离 求A 点到平面α的距离,设平面α的法向量法为(,,1)n x y =,在α内任取一点B ,则A 点到平面α的距离为d = || || AB n n ?,n 的坐标由n 与平面α内的两个不共线向量的垂直关系,得到方程组(类似于前面所述, 若方程组无解,则法向量与XOY 平面平行,此时可改设(1,,0)n y = 三、证明线面、面面的平行、垂直关系 设平面外的直线a 和平面α、β,两个面α、β的法向量为12,n n ,则

1a//a n α?⊥ 1a a//n α⊥? 12////n n αβ? 12n n αβ⊥?⊥ 四、应用举例: 例1:如右下图,在长方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中,已知AB= 4, AD =3, AA 1= 2. E 、F 分别是线段AB 、BC 上的点,且EB= FB=1. (1) 求二面角C —DE —C 1的正切值; (2) 求直线EC 1与FD 1所成的余弦值. 解:(I )以A 为原点,1,,AB AD AA 分别为x 轴,y 轴,z 轴的正向建立空间直角坐标系, 则D(0,3,0)、D 1(0,3,2)、E(3,0,0)、F(4,1,0)、C 1(4,3,2) 于是,11(3,3,0),(1,3,2),(4,2,2)DE EC FD =-==- 设法向量(,,2)n x y =与平面C 1DE 垂直,则有 1330 1320n DE x y x y x y z n EC ⊥-=? ?==-++=⊥?? ???? ?? 11111(1,1,2), (0,0,2), cos 3 ||||1tan 2n AA CDE n AA C DE C n AA n AA θθθ∴=--=∴--?== = ?∴= 向量与平面垂直与所成的角为二面角的平面角 (II )设EC 1与FD 1所成角为β,则 1111cos 14 |||| 1EC FD EC FD β?= = = ? 例2:(高考辽宁卷17)如图,已知四棱锥P-ABCD ,底面ABCD 是菱形,∠DAB=600,PD ⊥平面ABCD ,PD=AD ,点E 为AB 中点,点F 为PD 中点。 (1)证明平面PED ⊥平面PAB ; (2)求二面角P-AB-F 的平面角的余弦值 证明:(1)∵面ABCD 是菱形,∠DAB=600, ∴△ABD 是等边三角形,又E 是AB 中点,连结BD ∴∠EDB=300,∠BDC=600,∴∠EDC=900,

立体几何中的向量方法—证明平行和垂直

1、依据学习目标。课前认真预习,完成自主学习内容; 2、课上思考,积极讨论,大胆展示,充分发挥小组合作优势,解决疑难问题; 3、当堂完成课堂检测题目; 4、★的多少代表题目的难以程度。★越多说明试题越难。不同层次学生选择相应题目完成 【学习目标】1.理解空间向量的概念;掌握空间向量的加法、减法和数乘; 2.了解空间向量的基本定理; 3.掌握空间向量的数量积的定义及其性质;理解空间向量的夹角的概念;掌握空间向量的数量积 的概念、性质和运算律;了解空间向量的数量积的几何意义;能用向量的数量积判断向量的共线与 垂直。 【教学重点】理解空间向量的概念;掌握空间向量的运算方法 【教学难点】理解空间向量的概念;掌握空间向量的运算方法 在四棱锥 设直线,则 v

的正方体 I 2. 如图,在棱长为a (1) 试证:A1、G、C三点共线; (2) 试证:A1C⊥平面 3.【改编自高考题】如图所示,四棱柱 的正方形,侧棱A (1)证明:AC⊥A1B; (2)是否在棱A1A上存在一点P,使得C1【学后反思】 本节课我学会了 掌握了那些? 还有哪些疑问? 2017届高二数学导学案编写邓兴明审核邓兴明审批

1、依据学习目标。课前认真预习,完成自主学习内容; 2、课上思考,积极讨论,大胆展示,充分发挥小组合作优势,解决疑难问题; 3、当堂完成课堂检测题目; 4、★的多少代表题目的难以程度。★越多说明试题越难。不同层次学生选择相应题目完成 【学习目标】1.掌握各种空间角的定义,弄清它们各自的取值范围.2.掌握异面直线所成的角,二面角的平面角,直线与平面所成的角的联系和区别.3.体会求空间角中的转化思想、数形结合思想,熟练掌握平移方法、射影方法等.4.灵活地运用各种方法求空间角. 【教学重点】灵活地运用各种方法求空间角 【教学难点】灵活地运用各种方法求空间角 —l—β的两个面α,β的法向量,则向量 的大小就是二面角的平面角的大小(如图②③). 【课堂合作探究】 利用向量法求异面直线所成的角 B1C1,∠ACB=90°,CA=CB=CC1,D 的正方体ABCD—A1B1C1D1中,求异面直线

立体几何中的向量方法

立体几何中的向量方法 适用学科高中数学适用年级高中二年级 适用区域通用课时时长(分钟)90 知识点用空间向量处理平行垂直问题;用空间向量处理夹角问题. 教学目标 1. 理解直线的方向向量与平面的法向量; 2. 能用向量语言表述线线、线面、面面的垂直、平行关系; 3. 能用向量方法证明有关线、面位置关系的一些定理(包括三垂线定理). 4. 能用向量方法解决线线、线面、面面的夹角的计算问题,体会向量方法的作用.教学重点用向量方法解决立体几何中的有关问题 教学难点用向量方法解决线线、线面、面面的夹角的计算问题

教学过程 一、课堂导入 空间平行垂直问题 1.两条直线平行与垂直; 2.直线与平面平行与垂直; 3.两个平面平行与垂直;空间夹角问题 1.两直线所成角; 2.直线和平面所成角; 3.二面角的概念; 空间距离问题

二、复习预习 (1)空间向量的直角坐标运算律:设231(,,)a a a a =,231(,,)b b b b =,则 112233(,,)a b a b a b a b +=+++,112233(,,)a b a b a b a b -=---,123(,,)()a a a a R λλλλλ=∈, 112233a b a b a b a b ?=++, 112233//,,()a b a b a b a b R λλλλ?===∈, 1122330a b a b a b a b ⊥?++=. (2)若111(,,)A x y z ,222(,,)B x y z ,则212121(,,)AB x x y y z z =---. 一个向量在直角坐标系中的坐标等于表示这个向量的有向线段的终点的坐标减去起点的坐标. (3)模长公式:若231(,,)a a a a =, 则 222 123 ||a a a a a a =?=++. (4)夹角公式: 112233 2 2 2 22 2 123 123 cos |||| a b a b a b a b a b a b a a a b b b ++??= = ?++++. (5)两点间的距离公式:若111(,,)A x y z ,222(,,)B x y z ,则 2212212212 )()()(z z y y x x AB AB -+-+-== .

立体几何(向量法)建系难

立体几何(向量法)—建系难 例1 (2013年普通高等学校招生统一考试重庆数学(理)试题(含答案))如图,四棱锥P ABCD -中,PA ABCD ⊥底面,2,4,3 BC CD AC ACB ACD π ===∠=∠=,F 为PC 的中 点,AF PB ⊥. (1)求PA 的长; (2)求二面角B AF D --的正弦值. 【答案】 解:(1)如图,联结BD 交AC 于O ,因为BC =CD ,即△BCD 为等腰三角形,又AC 平分∠BCD ,故AC ⊥BD .以O 为坐标原点,OB →,OC →,AP → 的方向分别为x 轴,y 轴,z 轴的正方向,建立空间直角坐标系O -xyz ,则OC =CD cos π3=1,而AC =4,得AO =AC -OC =3.又OD =CD sin π 3=3,故A (0,-3,0),B (3,0,0),C (0,1,0),D (-3,0,0). 因P A ⊥底面ABCD ,可设P (0,-3,z ),由F 为PC 边中点,得F ????0,-1,z 2,又AF → =????0,2,z 2,PB →=(3,3,-z ),因AF ⊥PB ,故AF →·PB →=0,即6-z 2 2 =0,z =2 3(舍去-2 3),所以|P A → |=2 3. (2)由(1)知AD →=(-3,3,0),AB →=(3,3,0),AF → =(0,2,3).设平面F AD 的法

向量为1=(x 1,y 1,z 1),平面F AB 的法向量为2=(x 2,y 2,z 2). 由1·AD →=0,1·AF →=0,得 ?? ?-3x 1+3y 1=0, 2y 1+3z 1=0, 因此可取1=(3,3,-2). 由2·AB →=0,2·AF →=0,得 ?? ?3x 2+3y 2=0, 2y 2+3z 2=0, 故可取2=(3,-3,2). 从而向量1,2的夹角的余弦值为 cos 〈1,2〉=n 1·n 2|n 1|·|n 2|=1 8 . 故二面角B -AF -D 的正弦值为3 7 8 . 例2(2013年普通高等学校招生统一考试大纲版数学(理)WORD 版含答案(已校对))如图,四 棱锥P ABCD -中,902,ABC BAD BC AD PAB ∠=∠==?o ,与PAD ?都是等边三角形. (I)证明:;PB CD ⊥ (II)求二面角A PD C --的大小. 【答案】解:(1)取BC 的中点E ,联结DE ,则四边形ABED 为正方形. 过P 作PO ⊥平面ABCD ,垂足为O . 联结OA ,OB ,OD ,OE . 由△P AB 和△P AD 都是等边三角形知P A =PB =PD , 所以OA =OB =OD ,即点O 为正方形ABED 对角线的交点, 故OE ⊥BD ,从而PB ⊥OE . 因为O 是BD 的中点,E 是BC 的中点,所以OE ∥CD .因此PB ⊥CD .

用空间向量解立体几何问题方法归纳

用空间向量解立体几何题型与方法 平行垂直问题基础知识 直线l 的方向向量为a =(a 1,b 1,c 1).平面α,β的法向量u =(a 3,b 3,c 3),v =(a 4,b 4,c 4) (1)线面平行:l ∥α?a ⊥u ?a ·u =0?a 1a 3+b 1b 3+c 1c 3=0 (2)线面垂直:l ⊥α?a ∥u ?a =k u ?a 1=ka 3,b 1=kb 3,c 1=kc 3 (3)面面平行:α∥β?u ∥v ?u =k v ?a 3=ka 4,b 3=kb 4,c 3=kc 4 (4)面面垂直:α⊥β?u ⊥v ?u ·v =0?a 3a 4+b 3b 4+c 3c 4=0 例1、如图所示,在底面是矩形的四棱锥P -ABCD 中,P A ⊥底面ABCD ,E ,F 分别是PC ,PD 的中点,P A =AB =1,BC =2. (1)求证:EF ∥平面P AB ; (2)求证:平面P AD ⊥平面PDC . [证明] 以A 为原点,AB ,AD ,AP 所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴,建立空 间直角坐标系如图所示,则A (0,0,0),B (1,0,0),C (1,2,0),D (0,2,0),P (0,0,1),所以E ? ????1 2,1,12, F ? ????0,1,12,EF =? ?? ?? -12,0,0,PB =(1,0,-1),PD =(0,2,-1),AP =(0,0,1),AD =(0,2,0),DC =(1,0,0),AB =(1,0,0). (1)因为EF =-1 2AB ,所以EF ∥AB ,即EF ∥AB . 又AB ?平面P AB ,EF ?平面P AB ,所以EF ∥平面P AB . (2)因为AP ·DC =(0,0,1)·(1,0,0)=0,AD ·DC =(0,2,0)·(1,0,0)=0, 所以AP ⊥DC ,AD ⊥DC ,即AP ⊥DC ,AD ⊥DC . 又AP ∩AD =A ,AP ?平面P AD ,AD ?平面P AD ,所以DC ⊥平面P AD .因为DC ?平面PDC , 所以平面P AD ⊥平面PDC . 使用空间向量方法证明线面平行时,既可以证明直线的方向向量和平面内一条直线的方向向量平行,然后根据线面平行的判定定理得到线面平行,也可以证明直线的方向向量与平面的法向量垂直;证明面面垂直既可以证明线线垂直,然后使用判定定理进行判定,也可以证明两个平面的法向量垂直. 例2、在直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,∠ABC =90°,BC =2,CC 1=4,点E 在线段BB 1上, 且EB 1=1,D ,F ,G 分别为CC 1,C 1B 1,C 1A 1的中点. 求证:(1)B 1D ⊥平面ABD ; (2)平面EGF ∥平面ABD .

立体几何中的向量方法复习

姓 名 年级 性 别 学 校 学 科 教师 上课日期 上课时间 课题 立体几何中的向量方法复习 一、选择题 1.若直线l 的方向向量为a =(1,-1,2),平面α的法向量为u =(-2,2,-4),则( ) A. l ∥α B. l ⊥α C. l ?α D. l 与α斜交 答案:B 解析:因为直线l 的方向向量为a =(1,-1,2),平面α的法向量为u =(-2,2,-4)共线,则说明了直线与平面垂直,选择B. 2. 如图,正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,E ,F 分别在A 1D ,AC 上,且A 1E =23A 1D ,AF =1 3AC ,则( ) A. EF 至多与A 1D ,AC 之一垂直 B. EF ⊥A 1D ,EF ⊥AC C. EF 与BD 1相交 D. EF 与BD 1异面 答案:B 解析:以D 点为坐标原点,以DA ,DC ,DD 1所在直线分别为x ,y ,z 轴建立空间直角坐标系,设正方体棱长为1,则A 1(1,0,1),D (0,0,0),A (1,0,0),C (0,1,0),E (13,0,13),F (23,1 3 ,0),B (1,1,0),D 1(0,0,1), A 1D →=(-1,0,-1),AC →=(-1,1,0),EF →=(13,13,-13),BD 1→ =(-1,-1,1), EF →=-13BD 1→,A 1D →·EF →=AC →·E F → =0,从而EF ∥BD 1,EF ⊥A 1D ,EF ⊥AC .故选B. 3. 若a =(2,-2,-2),b =(2,0,4),则a 与b 的夹角的余弦值为( ) A. 48585 B. 6985 C. -15 15 D. 0 答案:C 解析:cos 〈a ,b 〉=a ·b |a |·|b |=2×2-823×25=-1515 . 4.在正三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,已知AB =1,D 在棱BB 1上,且BD =1,则AD 与平面AA 1C 1C 所成的角的正弦值为( ) A. 64 B. -64 C. 104 D. -10 4 答案:A

用基底建模向量法解决立体几何问题

用基底建模向量法解决立体几何问题 空间向量是高中数学新教材中一项基本内容,它的引入有利于处理立体几何问题,有利于学生克服空间想象力的障碍和空间作图的困难,有利于丰富学生的思维结构,利用空间向量的坐标运算解立体几何问题,可把抽 象的几何问题转化为代数计算问题,并具有很强的规律性和可操作性,而利 用空间向量的坐标运算需先建立空间直角坐标系,但建立空间直角坐标系有时要受到图形的制约,在立体几何问题中很难普遍使用,其实向量的坐标形式只是选取了特殊的基底,一般情况下,我们可以根据题意在立体几何图形中选定一个基底,然后将所需的向量用此基底表示出来,再利用向量的运算进行求解或证明,这就是基底建模法.它是利用向量的非坐标形式解立体几何问题的一种有效方法。 基向量法在解决立体几何的证明、求解问题中有着很特殊的妙用。 空间向量基本定理及应用 空间向量基本定理:如果三个向量a、b、c不共面,那么对空间任一 向量p存在惟一的有序实数组x、y、乙使p=x a+ y b+ z c. 1、已知空间四边形OAB(中, Z AOB Z BOC / AOC且OA=OB=OCM N分别是OA BC的中点,G是MN的中点. 求证:OGL BC 【解前点津】要证OGL BC只须证明OG?BC 0即可. 而要证OG?BC 0,必须把0G、BC用一组已知的空间基向量来表示 .又已知条件为Z AOB Z BOC Z AOC且OA=O母OC因此可选OA,OB,OC为已知的基向量.

【规范解答】连ON由线段中点公式得:

又 BC OC OB , 【解后归纳】 本题考查应用平面向量、空间向量和平面几何知识证线线垂直的能力 【例2】 在棱长为a 的正方体ABC —ABCD 中,求:异面直线 BA 与AC 所成的角. ■ 1 ■ 2 1 ■ 2 BB 1 ? BC 0,BA?AB =-a .所以 BA ^ ? AC =- a . OG OM ON) 彳 ] 彳 El I : 丄 OA 丄(OB OC) 2 2 O B O C ), 所以 O G ? O B 1(O A 4 OB OC)?(OC OB) 丄(OA ?O C 4 OB?OC OC 2 OA?OB OB 2 OC?OB ) 1 = 4(O A? OC OA ?OB 2 2 OC 2 OB 2 ). 因为O A ?O C OA ? OC ? cos AOC OA?OB OA ? OB ? cos AOB 且 OC OB OA ,/ AOB Z AOC 所以 OG ? BC =0,即 OGL BC 【解前点津】 利用BA 1?AC BA 1 ? AC cos B AH , A C ,求出向量BA 1与AC 的夹角〈BA 1 , AC >, 再根据异面直线 BA , AC 所成角的范围确定异面直线所成角 【规范解答】 因为 BA 1 BA BB 1, AC AB 所以BA ] ?AC (BA BB 1)?(AB BC)= BA? AB 因为ABL BC BB L AB BB L BC 又 BA ] ? AC BA 1 ? AC ?cos BA ,AC , cos BA, AC a 2 所以〈B A],A C > =120° . 所以异面直线BA 与AC 所成的角为60°. 【解后归纳】 求异面直线所成角的关键是求异面直 积,必须会把所求向量用空间的一组基向量来表示 线上两向量的数量积, 而要求两向量的数量 例 3:如图,在底面是菱形的四棱锥 P-ABCD 中, / ABC=6(o,PA L 面 ABCD , PA=AC=a,PB=PD= 2a , 点E 在PD 上,且PE:PD=2:1.在棱PC 上是否存在一点 F ,使BF //平面AEC ?证明你的结论. uuu uuir uuu 解析:我们可选取AB,AD,AP 作为一组空间基底 D L C L BC , BA?BC BB 1 ?AB BB 1 ?BC 所以BA?BC 0,BB<| ?AB =0, D

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