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如图,四棱锥P-ABCD的底面是矩形,侧面PAD
是正三角形,且侧面PAD⊥底面ABCD,E为侧棱PD的中点.
(I)试判断直线PB与平面EAC的关系
(文科不必证明,理科必须证明);
(II)求证:AE⊥平面PCD;
(III)若AD=AB,试求二面角A-PC-D
的正切值.
(I)PB∥平面EAC.(II)证明见解析 ,(III)二面角A-PC-D的正切值为.  
解法一:
(I)PB∥平面EAC.证明如下:
连结BD交AC于点O,连结EO,则O为BD的中点,
又∵E为PD的中点,∴EO∥PB,∴PB∥平面EAC.
(II)∵CD⊥AD,且侧面PAD⊥底面ABCD,
而侧面PAD底面ABCD=AD,
∴CD⊥侧面PAD,∴CD⊥AE.
∵侧面PAD是正三角形,E为侧棱PD的中点,
∴AE⊥PD,∴AE⊥平面PCD;     
(III)过E作EM⊥PC于M,连结AM,由(2)及三垂线定理知AM⊥PC.
∴∠AME为二面角A-PC-D的平面角.                               10分
由正三角形PAD及矩形ABCD,且AD=AB,∴PD=AD=AB=DC,
∴在等腰直角三角形DPC中,设AB=a,则AE=a,PC=a,EM=×a. 12分
在△AEM中,tan∠AME===. 
即二面角A-PC-D的正切值为.        
解法二:(I)同解法一                   

(II)设N为AD中点,Q为BC中点,则因为△PAD是正三角形,底面ABCD是矩形,所以,PN⊥AD,QN⊥AD,又因为侧面PAD⊥底面ABCD,所以,PN⊥面ABCD,QN⊥面PAD,以N为坐标原点,NA、NQ、NP所在直线分别为x,y,z轴如图建立空间直角坐标系.设AD=1,AB=a,则,,,,,.                                                                                                   
∴,,.
∴,.
∴.又,PD,DC面PDC,
∴AE⊥平面PCD;            
(III)当a=1时,由(2)可知:是平面PDC的法向量,
设平面PAC的法向量为,则,,
即,取x=1,可得:y=1,z=.所以,.    
向量与所成角的余弦值为:.  
∴tanq=.                                                             
又由图可知,二面角A-PC-D的平面角为锐角,所以二面角A-PC-D的平面角就是向量与所成角的补角.其正切值等于.                                       14分
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