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,a
α,求证:a⊥PA
a⊥OA.
![]()
证明:设直线a上非零向量a,要证a⊥PA
a⊥OA,即证a·
=0
a·
=0.
∵a
α,a·
=0,∴a·
=a·(
+
)=a·
+a·
=a·
.
∴a·
=0
a·
=0,即a⊥PA
a⊥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.
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°
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
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
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
4.已知a=(1,0),b=(m,m)(m>0),则〈a,b〉=_____________.
答案:45°
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
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
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
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
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