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第28练 空间向量解决立体几何问题的两大策略
——“选基底”与“建系”
[题型分析·高考展望] 向量作为一个工具,其用途是非常广泛的,可以解决现高中阶段立体几何中的大部分问题,不管是证明位置关系还是求解问题.而向量中最主要的两个手段就是选基底与建立空间直角坐标系.在高考中,用向量解决立体几何解答题,几乎成了必然的选择.
体验高考
1.(2016·北京)如图,在四棱锥P-ABCD中,平面PAD⊥平面ABCD,PA⊥PD,PA=PD,AB⊥AD,AB=1,AD=2,AC=CD=.
(1)求证:PD⊥平面PAB;
(2)求直线PB与平面PCD所成角的正弦值;
(3)在棱PA上是否存在点M,使得BM∥平面PCD?若存在,求的值;若不存在,说明理由.
(1)证明 ∵平面PAD⊥平面ABCD,
平面PAD∩平面ABCD=AD.
又AB⊥AD,AB⊂平面ABCD.
∴AB⊥平面PAD.
∵PD⊂平面PAD.∴AB⊥PD.
又PA⊥PD,PA∩AB=A.
∴PD⊥平面PAB.
(2)解 取AD中点O,连接CO,PO.
∵PA=PD,∴PO⊥AD.
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又∵PO⊂平面PAD,
平面PAD⊥平面ABCD,
∴PO⊥平面ABCD,
∵CO⊂平面ABCD,∴PO⊥CO,
∵AC=CD,∴CO⊥AD.
以O为原点建立如图所示空间直角坐标系.易知P(0,0,1),A(0,1,0),B(1,1,0),C(2,0,0),D(0,-1,0).
则=(1,1,-1),=(0,-1,-1),=(2,0,-1).
=(-2,-1,0).
设n=(x0,y0,1)为平面PCD的一个法向量.
由得
解得即n=.
设PB与平面PCD的夹角为θ.
则sin θ=|cos〈n,〉|=
==.
∴直线PB与平面PCD所成角的正弦值为.
(3)解 设M是棱PA上一点,
则存在λ∈[0,1]使得=λ,
因此点M(0,1-λ,λ),=(-1,-λ,λ),
∵BM⊄平面PCD,
∴要使BM∥平面PCD当且仅当·n=0,
即(-1,-λ,λ)·=0,解得λ=,
∴在棱PA上存在点M使得BM∥平面PCD,
此时=.
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2.(2016·天津)如图,正方形ABCD的中心为O,四边形OBEF为矩形,平面OBEF⊥平面ABCD,点G为AB的中点,AB=BE=2.
(1)求证:EG∥平面ADF;
(2)求二面角O—EF—C的正弦值;
(3)设H为线段AF上的点,且AH=HF,求直线BH和平面CEF所成角的正弦值.
解 依题意,OF⊥平面ABCD,
如图,以O为原点,分别以,,的方向为x轴,y轴,z轴的正方向建立空间直角坐标系,依题意可得O(0,0,0),A(-1,1,0),B(-1,-1,0),C(1,-1,0),D(1,1,0),E(-1,-1,2),F(0,0,2),G(-1,0,0).
(1)证明 依题意,=(2,0,0),=(1,-1,2).
设n1=(x1,y1,z1)为平面ADF的法向量,
则 即
不妨取z1=1,可得n1=(0,2,1),
又=(0,1,-2),可得·n1=0,
又因为直线EG⊄平面ADF,所以EG∥平面ADF.
(2)解 易证=(-1,1,0)为平面OEF的一个法向量,依题意,=(1,1,0),=(-1,1,2),
设n2=(x2,y2,z2)为平面CEF的法向量,
则即
不妨取 x2=1,
可得n2=(1,-1,1).
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因此有cos〈,n2〉==-,
于是sin〈,n2〉=.
所以二面角O—EF—C的正弦值为.
(3)解 由AH=HF,得AH=AF.
因为=(1,-1,2),
所以==,
进而有H,
从而=.
因此cos〈,n2〉==-.
所以直线BH和平面CEF所成角的正弦值为.
3.(2016·课标全国乙)如图,在以A,B,C,D,E,F为顶点的五面体中,面ABEF为正方形,AF=2FD,∠AFD=90°,且二面角D-AF-E与二面角C-BE-F都是60°.
(1)证明:平面ABEF⊥平面EFDC;
(2)求二面角E-BC-A的余弦值.
(1)证明 由已知可得AF⊥DF,AF⊥FE,所以AF⊥平面EFDC,又AF⊂平面ABEF,故平面ABEF⊥平面EFDC.
(2)解 过D作DG⊥EF,垂足为G,由(1)知DG⊥平面ABEF.以G为坐标原点,的方向为x轴正方向,||为单位长,建立如图所示的空间直角坐标系Gxyz.由(1)知∠DFE为二面角D-AF-E的平面角,故∠DFE=60°,则DF=2,DG=,可得A(1,4,0),B(-3,4,0),E(-3,0,0),D(0,0,).
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由已知,得AB∥EF,所以AB∥平面EFDC,又平面ABCD∩平面EFDC=CD,故AB∥CD,CD∥EF.
由BE∥AF,可得BE⊥平面EFDC,
所以∠CEF为二面角C-BE-F的平面角,∠CEF=60°,从而可得C(-2,0,).
所以=(1,0,),=(0,4,0),=(-3,-4,),=(-4,0,0).设n=(x,y,z)是平面BCE的法向量,则即所以可取n=(3,0,-).
设m是平面ABCD的法向量,则
同理可取m=(0,,4),则cos〈n,m〉==-.故二面角E-BC-A的余弦值为-.
高考必会题型
题型一 选好基底解决立体几何问题
例1 如图所示,已知空间四边形ABCD的各边和对角线的长都等于a,点M、N分别是AB、CD的中点.
(1)求证:MN⊥AB,MN⊥CD;
(2)求MN的长;
(3)求异面直线AN与CM夹角的余弦值.
(1)证明 设=p,=q,=r.
由题意可知:|p|=|q|=|r|=a,
且p、q、r三向量两两夹角均为60°.
∵=-=(+)-=(q+r-p),
∴·=(q+r-p)·p=(q·p+r·p-p2)
=(a2·cos 60°+a2·cos 60°-a2)=0.
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∴MN⊥AB,同理可证MN⊥CD.
(2)解 由(1)可知=(q+r-p),
∴||2=2=(q+r-p)2
=[q2+r2+p2+2(q·r-p·q-r·p)]
=[a2+a2+a2+2(--)]
=·2a2=.
∴||=a,∴MN的长为a.
(3)解 设向量 与的夹角为θ.
∵=(+)=(q+r),
=-=q-p,
∴·=(q+r)·(q-p)
=(q2-q·p+r·q-r·p)
=(a2-a2·cos 60°+a2·cos 60°-a2·cos 60°)
=(a2-+-)=.
又∵||=||=a,
∴·=||·||·cos θ
=a·a·cos θ=.
∴cos θ=,
∴向量与的夹角的余弦值为,
从而异面直线AN与CM夹角的余弦值为.
点评 对于不易建立直角坐标系的题目,选择好“基底”也可使问题顺利解决.“基底”就是一个坐标系,选择时,作为基底的向量一般为已知向量,且能进行运算,还需能将其他向量线性表示.
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变式训练1 如图,在四棱锥P-GBCD中,PG⊥平面GBCD,GD∥BC,GD=BC,且BG⊥GC,GB=GC=2,E是BC的中点,PG=4.
(1)求异面直线GE与PC所成角的余弦值;
(2)若F点是棱PC上一点,且·=0,=k,求k的值.
解 (1)如图所示,以G点为原点建立空间直角坐标系Gxyz,
则B(2,0,0),C(0,2,0),D(-,,0),P(0,0,4),
故E(1,1,0),=(1,1,0),=(0,2,-4),
cos〈,〉===,
故异面直线GE与PC所成角的余弦值为.
(2)设F(0,y,z),则=-=(0,y,z)-(-,,0)=(,y-,z),=(0,2,0).
∵·=0,∴(,y-,z)·(0,2,0)=2(y-)=0,∴y=.
在平面PGC内过F点作FM⊥GC,M为垂足,则GM=,MC=,
∴==3,∴k=-3.
题型二 建立空间直角坐标系解决立体几何问题
例2 (2016·山东)在如图所示的圆台中,AC是下底面圆O的直径,EF是上底面圆O′
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的直径,FB是圆台的一条母线.
(1)已知G,H分别为EC,FB的中点,求证:GH∥平面ABC;
(2)已知EF=FB=AC=2,AB=BC,求二面角F-BC-A的余弦值.
(1)证明 设FC中点为I,连接GI,HI.在△CEF中,因为点G是CE的中点,所以GI∥EF.
又EF∥OB,所以GI∥OB.
在△CFB中,因为H是FB的中点,所以HI∥BC,又HI∩GI=I,
所以平面GHI∥平面ABC.
因为GH⊂平面GHI,所以GH∥平面ABC.
(2)连接OO′,则OO′⊥平面ABC.又AB=BC,且AC是圆O的直径,所以BO⊥AC.
以O为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz.
由题意得B(0,2,0),
C(-2,0,0).过点F作FM⊥OB于点M,
所以FM==3,可得F(0,,3).
故=(-2,-2,0),=(0,-,3).
设m=(x,y,z)是平面BCF的一个法向量.
由可得
可得平面BCF的一个法向量m=,
因为平面ABC的一个法向量n=(0,0,1),
所以cos〈m,n〉==.
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所以二面角F-BC-A的余弦值为.
点评 (1)建立空间直角坐标系前应先观察题目中的垂直关系,最好借助已知的垂直关系建系.
(2)利用题目中的数量关系,确定定点的坐标,动点的坐标可利用共线关系(=λa),设出动点坐标.
(3)要掌握利用法向量求线面角、二面角、点到面的距离的公式法.
变式训练2 在边长是2的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F分别为AB,A1C的中点,应用空间向量方法求解下列问题.
(1)求EF的长;
(2)证明:EF∥平面AA1D1D;
(3)证明:EF⊥平面A1CD.
(1)解 如图建立空间直角坐标系,
则A1=(2,0,2),A=(2,0,0),B=(2,2,0),C=(0,2,0),
D1=(0,0,2),E=(2,1,0),F=(1,1,1),
∴=(-1,0,1),EF=.
(2)证明 ∵=(-2,0,2),∴AD1∥EF,而EF⊄平面AA1D1D,
∴EF∥平面AA1D1D.
(3)证明 ∵·=0,·=0,
∴EF⊥CD,EF⊥A1D,
又CD∩A1D=D,
∴EF⊥平面A1CD.
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高考题型精练
1.如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,若=x+y+z,则x+y+z的值为( )
A.3 B.1 C.-1 D.-3
答案 B
解析 ∵=-+,
∴x=1,y=-1,z=1,∴x+y+z=1.
2.如图,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,M为AC与BD的交点,若=a,=b,=c,则下列向量中与相等的向量是( )
A.-a+b+c B.a+b+c
C.a-b+c D.-a-b+c
答案 A
解析 由题意知,=++=++
=-a+c+(a+b)=-a+b+c,故选A.
3.在四棱锥P-ABCD中,=(4,-2,3),=(-4,1,0),=(-6,2,-8),则这个四棱锥的高h等于( )
A.1 B.2 C.13 D.26
答案 B
解析 设平面ABCD的一个法向量n=(x,y,z),
则⇒
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令y=4,则n=(1,4,),
则cos〈n,〉===-,
∵=|cos〈n·〉|,
∴h=×2=2,故选B.
4.如图所示,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,线段B1D1上有两个动点E,F,且EF=,则下列结论中错误的是( )
A.AC⊥BE
B.EF∥平面ABCD
C.三棱锥A-BEF的体积为定值
D.异面直线AE,BF所成的角为定值
答案 D
解析 ∵AC⊥平面BB1D1D,
又BE⊂平面BB1D1D,
∴AC⊥BE,故A正确.
∵B1D1∥平面ABCD,
又E,F在直线D1B1上运动,
∴EF∥平面ABCD,故B正确.
C中,由于点B到直线B1D1的距离不变,故△BEF的面积为定值,又点A到平面BEF的距离为,
故VA-BEF为定值,故C正确.
建立空间直角坐标系,如图所示,可得A(1,1,0),B(0,1,0).
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①当点E在D1处,点F为D1B1的中点时,E(1,0,1),
F(,,1),∴=(0,-1,1),=(,-,1),
∴·=.又||=,||=,
∴cos〈,〉===.
∴此时异面直线AE与BF成30°角.
②当点E为D1B1的中点,F在B1处时,
E(,,1),F(0,1,1),
∴=(-,-,1),=(0,0,1),
∴·=1,||= =,
∴cos〈,〉===≠,
故D错误.故选D.
5.若a=(2x,1,3),b=(1,-2y,9),如果a与b为共线向量,则( )
A.x=1,y=1 B.x=,y=-
C.x=-,y= D.x=,y=-
答案 D
解析 因为a与b为共线向量,
所以存在实数λ使得a=λb,
所以解得x=,y=-.
6.已知空间四边形OABC,其对角线为OB,AC,M,N分别是OA,CB的中点,点G
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在线段MN上,且使MG=2GN,则用向量,,表示向量是( )
A.=++ B.=++
C.=++ D.=++
答案 A
解析 ∵MG=2GN,M,N分别是边OA,CB的中点,
∴=+=+
=+(++)
=++(-)
=++.
故选A.
7.已知a=(2,-1,3),b=(-1,4,-2),c=(7,5,λ),若a,b,c三向量共面,则实数λ=________.
答案
解析 a,b,c三向量共面,则存在实数x,y,
使c=xa+yb,
所以解得
8.如图所示,PD垂直于正方形ABCD所在的平面,AB=2,E为PB的中点,cos〈,〉=,若以DA,DC,DP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系,则点E的坐标为________.
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答案 (1,1,1)
解析 设PD=a(a>0),
则A(2,0,0),B(2,2,0),P(0,0,a),E(1,1,),
∴=(0,0,a),=(-1,1,),
∵cos〈,〉=,
∴=a ×,
∴a=2,
∴E的坐标为(1,1,1).
9.如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,棱长为a,M,N分别为A1B和AC上的点,A1M=AN=,则MN与平面BB1C1C的位置关系是________.
答案 平行
解析 ∵正方体棱长为a,A1M=AN=,
∴=,=,
∴=++
=++
=(+)++(+)
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=+.
又∵是平面B1BCC1的一个法向量,
∴·=(+)·=0,
∴⊥,
又∵MN⊄平面BB1C1C,
∴MN∥平面BB1C1C.
10.已知棱长为a的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E是BC的中点,F为A1B1的中点.
(1)求证:DE⊥C1F;
(2)求异面直线A1C与C1F所成角的余弦值.
(1)证明 以D为原点,以DA,DC,DD1为x,y,z的正半轴建立空间直角坐标系,
则D(0,0,0),E(,a,0),C1(0,a,a),F(a,,a),
所以=(,a,0),=(a,-,0),
·=0,所以DE⊥C1F.
(2)解 A1(a,0,a),C(0,a,0),=(-a,a,-a),
=(a,-,0),
cos〈,〉===-,
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所以异面直线A1C与C1F所成角的余弦值是.
11.如图,在四棱锥P-ABCD中,PC⊥底面ABCD,底面ABCD是直角梯形,AB⊥AD,AB∥CD,AB=2AD=2CD=2,E是PB的中点.
(1)求证:平面EAC⊥平面PBC;
(2)若二面角P-AC-E的余弦值为,求直线PA与平面EAC所成角的正弦值.
(1)证明 ∵PC⊥平面ABCD,AC⊂平面ABCD,
∴AC⊥PC.∵AB=2,AD=CD=1,
∴AC=BC=,∴AC2+BC2=AB2,
∴AC⊥BC,
又BC∩PC=C,∴AC⊥平面PBC.
∵AC⊂平面EAC,∴平面EAC⊥平面PBC.
(2)解 如图,以点C为原点,,,分别为x轴、y轴、z轴正方向建立空间直角坐标系,
则C(0,0,0),A(1,1,0),B(1,-1,0),
设P(0,0,a)(a>0),
则E(,-,),=(1,1,0),=(0,0,a),=(,-,).
取m=(1,-1,0),则m·=m·=0,m为平面PAC的法向量,
设n=(x,y,z)为平面EAC的法向量,
则n·=n·=0,
即
取x=a,y=-a,z=-2,则n=(a,-a,-2),
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依题意,|cos〈m,n〉|===,
则a=2,于是n=(2,-2,-2),=(1,1,-2).
设直线PA与平面EAC所成角为θ,
则sin θ=|cos〈,n〉|==,
即直线PA与平面EAC所成角的正弦值为.
12.直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD为菱形,且∠BAD=60°,A1A=AB,E为BB1延长线上的一点,D1E⊥平面D1AC.设AB=2.
(1)求二面角E-AC-D1的大小;
(2)在D1E上是否存在一点P,使A1P∥平面EAC?若存在,求D1P∶PE的值;若不存在,说明理由.
解 (1)设AC与BD交于点O,如图所示建立空间直角坐标系Oxyz,
则A=(,0,0),B(0,1,0),C(-,0,0),D(0,-1,0),
D1(0,-1,2),
设E(0,1,2+h),则=(0,2,h),=(2,0,0),=(,1,-2),
∵D1E⊥平面D1AC,
∴D1E⊥AC,D1E⊥D1A,
∴2-2h=0,∴h=1,即E(0,1,3).
∵=(0,2,1),=(-,1,3),
设平面EAC的法向量为m=(x,y,z),
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则由得
令z=-1,∴平面EAC的一个法向量为m=(0,3,-1),
又平面D1AC的法向量为=(0,2,1),
∴cos〈m,〉==,
∴二面角E-AC-D1大小为45°.
(2)设=λ=λ(-),
得==(0,,),
∴=+
=(-,-1,0)+(0,,)
=(-,,),
∵A1P∥平面EAC,∴⊥m,
∴-×0+3×+(-1)×=0,
∴λ=.
∴存在点P使A1P∥平面EAC,
此时D1P∶PE=3∶2.
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