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空间向量法解决立体几何问题 专题提纲 一.引入两个重要的空间向量 1.直线的方向向量 把直线上任意两点的向量或与它平行的向量都称为直线的方向向量.如图1,在空间直角坐标系中,由A(x1,y1,z1)与B(x2,y2,z2)确定的直线AB的方向向量是 2.平面的法向量 如果表示向量n的有向线段所在的直线垂直于平面α,称这个向量垂直于平面α,记作n⊥α,这时向量n叫做平面α的法向量. 在空间直角坐标系中,如何求平面法向量的坐标呢? 如图2,设a=( x1,y1,z1)、b=(x2,y2,z2)是平面α内的两个不共线的非零向量,由直线与平面垂直的判定定理知,若n⊥a且n⊥b,则n⊥α.换句话说,若n·a = 0且n·b = 0,则n⊥ α. 求平面的法向量的坐标的步骤 第一步(设):设出平面法向量的坐标为n=(x,y,z). 第二步(列):根据n·a = 0且n·b = 0可列出方程组 第三步(解):把z看作常数,用z表示x、y. 第四步(取):取z为任意一个正数(当然取得越特 殊越好),便得到平面法向量n的坐标. 例1在棱长为2的正方体ABCD-A1B1C1D1中,O是面AC的中心,求面OA1D1的法向量. 解:以A为原点建立空间直角坐标系O-xyz(如图),设平面OA1D1的法向量的法向量为n=(x,y,z), 则 O(1,1,0),A1(0,0,2),D1(0,2,2) 由 =(-1,-1,2), =(-1,1,2) 得 ,解得 取z =1 得平面OA1D1的法向量的坐标n=(2,0,1). 二.立体几何问题的类型及解法 1.判定直线、平面间的位置关系 (1)直线与直线的位置关系 不重合的两条直线a,b的方向向量分别为a ,b. ①若a∥b,即a=λb,则a∥b. ②若a⊥b,即a·b = 0,则a⊥b 例2已知平行六面体ABCD-A1B1C1D1的底面ABCD是菱形,∠C1CB=∠C1CD=∠BCD=θ,求证: C C1⊥BD 证明:设 a, b, c, 依题意有| a |=| b |, 于是 a – b ∵ = c (a – b)= c·a –c·b = |c|·|a|cosθ–|c|·|b| cosθ=0 ∴C C1⊥BD (2)直线与平面的位置关系 直线L的方向向量为a,平面α的法向量为n,且L α. ①若a∥n,即a =λn,则 L⊥ α ②若a⊥n,即a·n = 0,则a ∥ α. 例3棱长都等于2的正三棱柱ABC-A1B1C1, D,E分别是AC,CC1的中点,求证: (I)A1E ⊥平面DBC1; (II)AB1 ∥ 平面DBC1 解:以D为原点,DA为x轴,DB为y轴建立空间直角坐标系D-xyz.则 A(-1,0,0), B(0, ,0), E(1,0,1), A1(-1,0,2), B1(0, ,2), C1(1,0,2). 设平面DBC1的法向量为n=(x,y,z),则 解之得 , 取z = 1得n=(-2,0,1) (I) =- n,从而A1E ⊥平面DBC1 (II) ,而 n =-2+0+2=0 AB1 ∥平面DBC1 (3)平面与平面的位置关系 平面α的法向量为n1 ,平面β的法向量为n2 n1 n1 n2 n2 ①若n1∥n2,即n1=λn2,则α∥β ②若n1⊥n2,即n1 ·n2= 0,则α⊥β 例4正方体ABCD-A1B1C1D1中,E、F分别是BB1、CD的中点,求证:面AED⊥面A1FD 证明:以A为原点建立如图所示的的直角坐标系A- xyz, 设正方体的棱长为2,则E(2,0,1),A1(0,0,2), F(1,2,0),D(0,2,0), 于是 设平面AED的法向量为n1=(x,y,z)得 解之得 取z=2得n1=(-1,0
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