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利用空间向量解立体几何 完整版

向量法解立体几何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。

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 bb⋅ 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:① 先求线的方向向量与面的法向量的夹角,若为锐角角即可,若为钝角,则取其补角; ②再求其余角,即是线面的夹角. 3.面面夹角(二面角)若两面的法向量一进一出,则二面角等于两法向量的夹角;法向量同进同出,则二面角等于法向量的夹角的补角.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(2π-θ) = |cos<AB , n >| =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',则¡¯//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00n 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⊥⇔⊥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13301320n 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 nAA 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: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,如图建立坐标系D-ECP ,设AD=AB=1,则PF=FD=12,, ∴ P (0,0,1),E 0,0),B12,0) ∴PB =(2,12,-1),PE = (2,0,-1), 平面PED 的一个法向量为DC =(0,1,0) ,设平面PAB 的法向量为n =(x, y, 1)由11(,,1),1)01022(,,1)1)010x y x y xn PBn PE yx y x⎧⎧•-=--=⎪⎧=⊥⎪⎪⎪⇒⇒⇒⎨⎨⎨⊥⎪⎪⎪⎩=•-=-=⎩⎪⎩∴n=∵DC·n=0 即DC⊥n∴平面PED⊥平面PAB(2)解:由(1)知:平面PAB的法向量为n=0, 1), 设平面FAB的法向量为n1=(x, y, -1),由(1)知:F(0,0,12),FB=,12,-12),FE =0,-12),由111111(,,1)(,)00222222110(,,1))0022x y x y xn FBn FE yx y x⎧⎧-•-=-+=⎪⎧=⊥⎪⎪⎪⎪⇒⇒⇒⎨⎨⎨⊥⎪⎪⎪⎩=-•-=+=⎩⎪⎩∴n1=(, 0, -1)∴二面角P-AB-F的平面角的余弦值cosθ= |cos<n, n1>|=11n5714nnn•=•例3:在棱长为4的正方体ABCD-A1B1C1D1中,O是正方形A1B1C1D1的中心,点P在棱CC1上,且CC1=4CP.(Ⅰ)求直线AP与平面BCC1B1所成的角的大小(结果用反三角函数值表示);(Ⅱ)设O 点在平面D 1AP 上的射影是H ,求证:D 1H ⊥AP ; (Ⅲ)求点P 到平面ABD 1的距离. 解: (Ⅰ)如图建立坐标系D-ACD 1, ∵棱长为4∴A (4,0,0),B (4,4,0),P (0,4,1) ∴AP = (-4, 4, 1) , 显然DC =(0,4,0)为平面BCC 1B 1的一个法向量∴直线AP 与平面BCC 1B 1所成的角θ的正弦值sin θ= |cos<AP ,DC >|=22216433334414=++• ∵θ为锐角,∴直线AP 与平面BCC 1B 1所成的角θ为arcsin 43333(Ⅲ) 设平面ABD 1的法向量为n =(x, y, 1),∵AB =(0,4,0),1AD =(-4,0,4)由n ⊥AB ,n ⊥1AD 得0440y x =⎧⎨-+=⎩ ∴ n =(1, 0, 1),∴点P 到平面ABD 1的距离 d =322AP n n•= 例4:在长、宽、高分别为2,2,3的长方体ABCD-A 1B 1C 1D 1中,O 是底面中心,求A 1O 与B 1C 的距离。

解:如图,建立坐标系D-ACD 1,则O (1,1,0),A 1(2,2,3),C (0,2,0)1(1,1,3)AO=--1(2,0,3)B C=--11(0,2,0)A B =设A1O与B1C的公共法向量为(,,1)n x y=,则11(,,1)(1,1,3)030(,,1)(2,0,3)0230n AO x y x yx y xn B C⎧⊥•--=-+-=⎧⎧⎪⇒⇒⎨⎨⎨•--=--=⊥⎩⎩⎪⎩∴33(,,1)22n=-∴ A1O与B1C的距离为d =(110,2,0||11||A B nn•===⎛例5:在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E、F分别是B1C1、C1D1的中点,求A1到面BDFE的距离。

解:如图,建立坐标系D-ACD1,则B(1,1,0),A1(1,0,1),E(12,1,1)∴(1,1,0)BD=--1(,0,1)2BE=-1(0,1,1)A B=-设面BDFE的法向量为(,,1)n x y=,则(,,1)(1,1,0)0011(,,1)(,0,1)01022x y x yn BDx y xn BE•--=--=⎧⎧⎧⊥⎪⎪⎪⇒⇒⇒⎨⎨⎨•-=-+=⊥⎩⎪⎪⎪⎩⎩⎩∴(2,2,1)n=-∴ A1到面BDFE的距离为d =(10,1,|||3|13||A B nn•-===。

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