空间向量的线面关系的判定
32(二)向量方法证明空间线面垂直关系
学习目标 1.能用向量法判断一些简单线线、线面、面面垂直关系.2.能用向量语言表述直线与直线、直线与平面、平面与平面的垂直关系.3.能用向量方法证明空间线面垂直关系的有关定理.知识点一 向量法判断线线垂直思考 若直线l 1的方向向量为μ1＝(1，3，2)，直线l 2的方向向量为μ2＝(1，－1，1)，那么两直线是否垂直？用向量法判断两条直线垂直的一般方法是什么？答案 l 1与l 2垂直，因为μ1·μ2＝1－3＋2＝0，所以μ1⊥μ2，又μ1，μ2是两直线的方向向量，所以l 1与l 2垂直.判断两条直线是否垂直的方法：(1)在两直线上分别取两点A 、B 与C 、D ，计算向量AB →与CD →的坐标，若AB →·CD →＝0，则两直线垂直，否则不垂直.(2)判断两直线的方向向量的数量积是否为零，若数量积为零，则两直线垂直，否则不垂直. 梳理 设直线l 的方向向量为a ＝(a 1，a 2，a 3)，直线m 的方向向量为b ＝(b 1，b 2，b 3)，则l ⊥m ⇔a·b ＝0⇔a 1b 1＋a 2b 2＋a 3b 3＝0. 知识点二 向量法判断线面垂直思考 若直线l 的方向向量为μ1＝⎝⎛⎭⎫2，43，1，平面α的法向量为μ2＝⎝⎛⎭⎫3，2，32，则直线l 与平面α的位置关系是怎样的？如何用向量法判断直线与平面的位置关系？答案 垂直，因为μ1＝23μ2，所以μ1∥μ2，即直线的方向向量与平面的法向量平行，所以直线l 与平面α垂直.判断直线与平面的位置关系的方法：(1)直线l 的方向向量与平面α的法向量共线⇒l ⊥α.(2)直线的方向向量与平面的法向量垂直⇒直线与平面平行或直线在平面内. (3)直线l 的方向向量与平面α内的两相交直线的方向向量垂直⇒l ⊥α.梳理 设直线l 的方向向量a ＝(a 1，b 1，c 1)，平面α的法向量μ＝(a 2，b 2，c 2)，则l ⊥α⇔a ∥μ⇔a ＝k μ(k ∈R ).知识点三 向量法判断面面垂直思考 平面α，β的法向量分别为μ1＝(x 1，y 1，z 1)，μ2＝(x 2，y 2，z 2)，用向量坐标法表示两平面α，β垂直的关系式是什么？ 答案 x 1x 2＋y 1y 2＋z 1z 2＝0.梳理 若平面α的法向量为μ＝(a 1，b 1，c 1)，平面β的法向量为ν＝(a 2，b 2，c 2)，则α⊥β⇔μ⊥ν⇔μ·ν＝0⇔a 1a 2＋b 1b 2＋c 1c 2＝0.类型一 证明线线垂直例1 已知正三棱柱ABC －A 1B 1C 1的各棱长都为1，M 是底面上BC 边的中点，N 是侧棱CC 1上的点，且CN ＝14CC 1.求证：AB 1⊥MN .证明 设AB 中点为O ，作OO 1∥AA 1.以O 为坐标原点，OB 为x 轴，OC 为y 轴，OO 1为z 轴建立如图所示的空间直角坐标系.由已知得A ⎝⎛⎭⎫－12，0，0，B ⎝⎛⎭⎫12，0，0，C ⎝⎛⎭⎫0，32，0，N ⎝⎛⎭⎫0，32，14，B 1⎝⎛⎭⎫12，0，1， ∵M 为BC 中点， ∴M ⎝⎛⎭⎫14，34，0.∴MN →＝⎝⎛⎭⎫－14，34，14，AB 1→＝(1，0，1)，∴MN →·AB 1→＝－14＋0＋14＝0.∴MN →⊥AB 1→， ∴AB 1⊥MN .反思与感悟 证明两直线垂直的基本步骤：建立空间直角坐标系→写出点的坐标→求直线的方向向量→证明向量垂直→得到两直线垂直.跟踪训练1 如图，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，AC ＝3，BC ＝4，AB ＝5，AA 1＝4，求证：AC ⊥BC 1.证明 ∵直三棱柱ABC －A 1B 1C 1底面三边长AC ＝3，BC ＝4，AB ＝5， ∴AC 、BC 、C 1C 两两垂直.如图，以C 为坐标原点，CA 、CB 、CC 1所在直线分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系.则C (0，0，0)，A (3，0，0)，C 1(0，0，4)，B (0，4，0)， ∵AC →＝(－3，0，0)，BC 1→＝(0，－4，4)， ∴AC →·BC 1→＝0.∴AC ⊥BC 1. 类型二 证明线面垂直例2 如图所示，正三棱柱ABC －A 1B 1C 1的所有棱长都为2，D 为CC 1的中点.求证：AB 1⊥平面A 1BD .证明 如图所示，取BC 的中点O ，连接AO .因为△ABC 为正三角形，所以AO ⊥BC .因为在正三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，平面ABC ⊥平面BCC 1B 1， 所以AO ⊥平面BCC 1B 1.取B 1C 1的中点O 1，以O 为原点，以OB →，OO 1→，OA →分别为x 轴，y 轴，z 轴的正方向建立空间直角坐标系，则B (1，0，0)，D (－1，1，0)，A 1(0，2，3)，A (0，0，3)，B 1(1，2，0). 所以AB 1→＝(1，2，－3)，BA 1→＝(－1，2，3)，BD →＝(－2，1，0). 因为AB 1→·BA 1→＝1×(－1)＋2×2＋(－3)×3＝0. AB 1→·BD →＝1×(－2)＋2×1＋(－3)×0＝0.所以AB 1→⊥BA 1→，AB 1→⊥BD →，即AB 1⊥BA 1，AB 1⊥BD . 又因为BA 1∩BD ＝B ，所以AB 1⊥平面A 1BD . 反思与感悟 用坐标法证明线面垂直的方法及步骤 方法一：(1)建立空间直角坐标系. (2)将直线的方向向量用坐标表示.(3)找出平面内两条相交直线，并用坐标表示它们的方向向量. (4)分别计算两组向量的数量积，得到数量积为0. 方法二：(1)建立空间直角坐标系. (2)将直线的方向向量用坐标表示. (3)求出平面的法向量.(4)判断直线的方向向量与平面的法向量平行.跟踪训练2 如图，在长方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，AB ＝AD ＝1，AA 1＝2，点P 为DD 1的中点.求证：直线PB 1⊥平面P AC .证明 如图建系，C (1，0，0)，A (0，1，0)，P (0，0，1)，B 1(1，1，2)，PC →＝(1，0，－1)，P A →＝(0，1，－1)，PB 1→＝(1，1，1)，B 1C →＝(0，－1，－2)，B 1A →＝(－1，0，－2).PB 1→·PC →＝(1，1，1)·(1，0，－1)＝0， 所以PB 1→⊥PC →，即PB 1⊥PC .又PB 1→·P A →＝(1，1，1)·(0，1，－1)＝0， 所以PB 1→⊥P A →，即PB 1⊥P A .又P A ∩PC ＝P ，所以PB 1⊥平面P AC . 类型三 证明面面垂直例3 在三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，AA 1⊥平面ABC ，AB ⊥BC ，AB ＝BC ＝2，AA 1＝1，E 为BB 1的中点，求证：平面AEC 1⊥平面AA 1C 1C .证明 由题意知直线AB ，BC ，B 1B 两两垂直，以点B 为原点，分别以BA ，BC ，BB 1所在直线为x ，y ，z 轴，建立如图所示的空间直角坐标系，则A (2，0，0)，A 1(2，0，1)，C (0，2，0)，C 1(0，2，1)，E (0，0，12)，故AA 1→＝(0，0，1)，AC →＝(－2，2，0)，AC 1→＝(－2，2，1)，AE →＝(－2，0，12).设平面AA 1C 1C 的法向量为n 1＝(x ，y ，z )， 则⎩⎪⎨⎪⎧n 1·AA 1→＝0，n 1·AC →＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧z ＝0，－2x ＋2y ＝0.令x ＝1，得y ＝1，故n 1＝(1，1，0). 设平面AEC 1的法向量为n 2＝(a ，b ，c )， 则⎩⎪⎨⎪⎧ n 2·AC 1→＝0，n 2·AE →＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧－2a ＋2b ＋c ＝0，－2a ＋12c ＝0. 令c ＝4，得a ＝1，b ＝－1，故n 2＝(1，－1，4). 因为n 1·n 2＝1×1＋1×(－1)＋0×4＝0， 所以n 1⊥n 2.所以平面AEC 1⊥平面AA 1C 1C . 反思与感悟 证明面面垂直的两种方法(1)常规法：利用面面垂直的判定定理转化为线面垂直、线线垂直去证明.(2)向量法：证明两个平面的法向量互相垂直.跟踪训练3 在四面体ABCD 中，AB ⊥平面BCD ，BC ＝CD ，∠BCD ＝90°，∠ADB ＝30°，E 、F 分别是AC 、AD 的中点，求证：平面BEF ⊥平面ABC .证明 以B 为原点建立如图所示的空间直角坐标系，设A (0，0，a )，则易得B (0，0，0)，C ⎝⎛⎭⎫32a ，32a ，0，D (0，3a ，0)，E ⎝⎛⎭⎫34a ，34a ，a 2，F (0，32a ，a 2)，故AB →＝(0，0，－a )，BC →＝⎝⎛⎭⎫32a ，32a ，0.设平面ABC 的法向量为n 1＝(x 1，y 1，z 1)， 则⎩⎪⎨⎪⎧n 1·AB →＝0，n 1·BC →＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧－az 1＝0，x 1＋y 1＝0，取x 1＝1，∴n 1＝(1，－1，0)为平面ABC 的一个法向量. 设n 2＝(x 2，y 2，z 2)为平面BEF 的一个法向量， 同理可得n 2＝(1，1，－3).∵n 1·n 2＝(1，－1，0)·(1，1，－3)＝0， ∴平面BEF ⊥平面ABC .1.下列命题中，正确命题的个数为( )①若n 1，n 2分别是平面α，β的法向量，则n 1∥n 2⇔α∥β； ②若n 1，n 2分别是平面α，β的法向量，则α⊥β ⇔ n 1·n 2＝0； ③若n 是平面α的法向量，a 与平面α平行，则n ·a ＝0； ④若两个平面的法向量不垂直，则这两个平面不垂直. A.1 B.2 C.3 D.4 答案 C解析 ①中平面α，β可能平行，也可能重合，结合平面法向量的概念，易知②③④正确. 2.已知两直线的方向向量为a ，b ，则下列选项中能使两直线垂直的为( ) A.a ＝(1，0，0)，b ＝(－3，0，0) B.a ＝(0，1，0)，b ＝(1，0，1) C.a ＝(0，1，－1)，b ＝(0，－1，1)D.a＝(1，0，0)，b＝(－1，0，0)答案 B解析因为a＝(0，1，0)，b＝(1，0，1)，所以a·b＝0×1＋1×0＋0×1＝0，所以a⊥b，故选B.3.若直线l的方向向量为a＝(1，0，2)，平面α的法向量为μ＝(－2，0，－4)，则()A.l∥αB.l⊥αC.l⊂αD.l与α斜交答案 B解析∵a∥μ，∴l⊥α.4.平面α的一个法向量为m＝(1，2，0)，平面β的一个法向量为n＝(2，－1，0)，则平面α与平面β的位置关系是()A.平行B.相交但不垂直C.垂直D.不能确定答案 C解析∵(1，2，0)·(2，－1，0)＝0，∴两法向量垂直，从而两平面垂直.5.已知平面α与平面β垂直，若平面α与平面β的法向量分别为μ＝(－1，0，5)，ν＝(t，5，1)，则t的值为________.答案 5解析∵平面α与平面β垂直，∴平面α的法向量μ与平面β的法向量ν垂直，∴μ·ν＝0，即(－1)×t＋0×5＋5×1＝0，解得t＝5.空间垂直关系的解决策略40分钟课时作业一、选择题1.设直线l 1，l 2的方向向量分别为a ＝(－2，2，1)，b ＝(3，－2，m )，若l 1⊥l 2，则m 等于( ) A.－2 B.2 C.6 D.10 答案 D解析 因为a ⊥b ，故a ·b ＝0，即－2×3＋2×(－2)＋m ＝0，解得m ＝10.2.若平面α，β的法向量分别为a ＝(－1，2，4)，b ＝(x ，－1，－2)，并且α⊥β，则x 的值为( )A.10B.－10C.12D.－12答案 B解析 因为α⊥β，则它们的法向量也互相垂直， 所以a ·b ＝(－1，2，4)·(x ，－1，－2)＝0， 解得x ＝－10.3.已知点A (0，1，0)，B (－1，0，－1)，C (2，1，1)，P (x ，0，z )，若P A ⊥平面ABC ，则点P 的坐标为( )A.(1，0，－2)B.(1，0，2)C.(－1，0，2)D.(2，0，－1) 答案 C解析 由题意知AB →＝(－1，－1，－1)，AC →＝(2，0，1)，AP →＝(x ，－1，z )，又P A ⊥平面ABC ，所以有AB →·AP →＝(－1，－1，－1)·(x ，－1，z )＝0，得－x ＋1－z ＝0， ① AC →·AP →＝(2，0，1)·(x ，－1，z )＝0，得2x ＋z ＝0，②联立①②得x ＝－1，z ＝2，故点P 的坐标为(－1，0，2).4.在正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，若E 为A 1C 1的中点，则直线CE 垂直于( ) A.AC B.BD C.A 1D D.A 1A 答案 B解析 建立如图所示的空间直角坐标系.设正方体的棱长为1，则A (0，1，0)，B (1，1，0)，C (1，0，0)，D (0，0，0)，A 1(0，1，1)，C 1(1，0，1)，E ⎝⎛⎭⎫12，12，1，∴CE →＝⎝⎛⎭⎫－12，12，1，AC →＝(1，－1，0)， BD →＝(－1，－1，0)，A 1D →＝(0，－1，－1)，A 1A →＝(0，0，－1)， ∵CE →·BD →＝(－1)×(－12)＋(－1)×12＋0×1＝0，∴CE ⊥BD .5.若平面α，β垂直，则下面可以作为这两个平面的法向量的是( ) A.n 1＝(1，2，1)，n 2＝(－3，1，1) B.n 1＝(1，1，2)，n 2＝(－2，1，1) C.n 1＝(1，1，1)，n 2＝(－1，2，1) D.n 1＝(1，2，1)，n 2＝(0，－2，－2) 答案 A解析 ∵1×(－3)＋2×1＋1×1＝0， ∴n 1·n 2＝0，故选A.6.两平面α，β的法向量分别为μ＝(3，－1，z )，v ＝(－2，－y ，1)，若α⊥β，则y ＋z 的值是( )A.－3B.6C.－6D.－12 答案 B解析 α⊥β⇒μ·v ＝0⇒－6＋y ＋z ＝0，即y ＋z ＝6. 二、填空题7.在三棱锥S －ABC 中，∠SAB ＝∠SAC ＝∠ACB ＝90°，AC ＝2，BC ＝13，SB ＝29，则异面直线SC 与BC 是否垂直________.(填“是”或“否”) 答案 是解析 如图，以A 为原点，AB ，AS 分别为y 轴，z 轴建立空间直角坐标系，则由AC ＝2，BC ＝13，SB ＝29， 得B (0，17，0)，S (0，0，23)，C ⎝ ⎛⎭⎪⎫21317，417，0， SC →＝⎝⎛⎭⎪⎫21317，417，－23，CB →＝⎝⎛⎭⎪⎫－21317，1317，0. 因为SC →·CB →＝0，所以SC ⊥BC .8.已知点P 是平行四边形ABCD 所在的平面外一点，如果AB →＝(2，－1，－4)，AD →＝(4，2，0)，AP →＝(－1，2，－1).对于结论：①AP ⊥AB ；②AP ⊥AD ；③AP →是平面ABCD 的法向量；④AP →∥BD →.其中正确的是________.(填序号) 答案 ①②③解析 ∵AP →·AB →＝(－1，2，－1)·(2，－1，－4)＝－1×2＋2×(－1)＋(－1)×(－4)＝0，∴AP ⊥AB ，即①正确；∵AP →·AD →＝(－1，2，－1)·(4，2，0)＝(－1)×4＋2×2＋(－1)×0＝0，∴AP ⊥AD ，即②正确； 又∵AB ∩AD ＝A ， ∴AP ⊥平面ABCD ，即AP →是平面ABCD 的一个法向量，即③正确； ∵AP →是平面ABCD 的法向量， ∴AP →⊥BD →，即④不正确.9.在空间直角坐标系Oxyz 中，已知点P (2cos x ＋1，2cos 2x ＋2，0)和点Q (cos x ，－1，3)，其中x ∈[0，π].若直线OP 与直线OQ 垂直，则x 的值为________. 答案 π2或π3解析 由题意得OP →⊥OQ →，∴cos x ·(2cos x ＋1)－(2cos 2x ＋2)＝0. ∴2cos 2x －cos x ＝0， ∴cos x ＝0或cos x ＝12.又x ∈[0，π]， ∴x ＝π2或x ＝π3.10.在△ABC 中，A (1，－2，－1)，B (0，－3，1)，C (2，－2，1).若向量n 与平面ABC 垂直，且|n |＝21，则n 的坐标为________________. 答案 (－2，4，1)或(2，－4，－1)解析 据题意，得AB →＝(－1，－1，2)，AC →＝(1，0，2).设n ＝(x ，y ，z )，∵n 与平面ABC 垂直，∴⎩⎪⎨⎪⎧ n ·AB →＝0，n ·AC →＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧ －x －y ＋2z ＝0，x ＋2z ＝0，可得⎩⎪⎨⎪⎧y ＝4z ，y ＝－2x . ∵|n |＝21，∴x 2＋y 2＋z 2＝21，解得y ＝4或y ＝－4.当y ＝4时，x ＝－2，z ＝1；当y ＝－4时，x ＝2，z ＝－1.三、解答题11.如图，在四棱锥P －ABCD 中，P A ⊥平面ABCD ，AB ＝4，BC ＝3，AD ＝5，∠DAB ＝∠ABC ＝90°，E 是CD 的中点.证明：CD ⊥平面P AE .证明 如图，以A 为坐标原点，AB ，AD ，AP 所在直线分别为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系.设P A ＝h ，则相关各点的坐标为A (0，0，0)，B (4，0，0)，C (4，3，0)，D (0，5，0)，E (2，4，0)，P (0，0，h ).易知CD →＝(－4，2，0)，AE →＝(2，4，0)，AP →＝(0，0，h ).因为CD →·AE →＝－8＋8＋0＝0，CD →·AP →＝0，所以CD ⊥AE ，CD ⊥AP ，而AP ，AE 是平面P AE 内的两条相交直线，所以CD ⊥平面P AE .12.如图，在四棱锥P －ABCD 中，底面ABCD 是矩形，P A ⊥底面ABCD ，P A ＝AB ＝1，AD ＝3，点F 是PB 的中点，点E 在边BC 上移动.求证：无论点E 在BC 边的何处，都有PE ⊥AF .证明 建立如图所示空间直角坐标系，则P (0，0，1)，B (0，1，0)，F ⎝⎛⎭⎫0，12，12，D ()3，0，0，设BE ＝x (0≤x ≤3)，则E (x ，1，0)，PE →·AF →＝(x ，1，－1)·⎝⎛⎭⎫0，12，12＝0， 所以x ∈[0， 3 ]时都有PE ⊥AF ，即无论点E 在BC 边的何处，都有PE ⊥AF .13.已知正方体ABCDA 1B 1C 1D 1中，E 为棱CC 1上的动点.(1)求证：A 1E ⊥BD ；(2)若平面A 1BD ⊥平面EBD ，试确定E 点的位置.(1)证明 以D 为坐标原点，以DA ，DC ，DD 1所在直线分别为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系.设正方体棱长为a ，则 A (a ，0，0)，B (a ，a ，0)，C (0，a ，0)，A 1(a ，0，a )，C 1(0，a ，a ).设E (0，a ，e ) (0≤e ≤a )，A 1E →＝(－a ，a ，e －a )，BD →＝(－a ，－a ，0)，A 1E →·BD →＝a 2－a 2＋(e －a )·0＝0，∴A 1E →⊥BD →，即A 1E ⊥BD .(2)解 设平面A 1BD ，平面EBD 的法向量分别为n 1＝(x 1，y 1，z 1)，n 2＝(x 2，y 2，z 2). ∵DB →＝(a ，a ，0)，DA 1→＝(a ，0，a )，DE →＝(0，a ，e )，∴⎩⎪⎨⎪⎧ ax 1＋ay 1＝0，ax 1＋az 1＝0，⎩⎪⎨⎪⎧ ax 2＋ay 2＝0，ay 2＋ez 2＝0. 取x 1＝x 2＝1，得n 1＝(1，－1，－1)，n 2＝(1，－1，a e)， 由平面A 1BD ⊥平面EBD 得n 1⊥n 2，∴2－a e ＝0，即e ＝a 2. ∴当E 为CC 1的中点时，平面A 1BD ⊥平面EBD .。
利用空间向量证明空间中的直线和平面位置关系
利用空间向量证明空间中的直线和平面位置关系空间向量的概念及其运算与平面向量类似，向量加、减法的平行四边形法则，三角形法则以及相关的运算律仍然成立。
空间向量的数量积运算、共线向量定理、共面向量定理都是平面向量在空间中的推广，空间向量基本定理则是向量由二维到三维的推广。
【知识回顾】1.确定空间直角坐标系必须有三个要素，即：原点、坐标轴方向、单位长。
2.从空间某一个定点O 引三条互相垂直且有相同单位长度的数轴，则就建立了空间直角坐标系。
点O 叫做坐标原点，x 轴、y 轴、z 轴叫做坐标轴，这三条坐标轴中每两条确定一个坐标平面，分别称为xoy 平面、 yoz 平面、和 Zox 平面．3.已知M 为空间一点.过点M 作三个平面分别垂直于x 轴、y 轴和z 轴,它们与x 轴、y 轴和z 轴的交点分别为P 、Q 、R,这三点在x 轴、y 轴和z 轴上的坐标分别为x,y,z.于是空间的一点M 就唯一确定了一个有序数组x,y,z.这组数x,y,z 就叫做点M 的坐标,并依次称x,y,z 为点M 的横坐标.纵坐标和竖坐标.坐标为x,y,z 的点M 通常记为M(x,y,z).4.空间向量的坐标运算:(1)设a ＝(a 1，a 2，a 3)，b ＝(b 1，b 2，b 3)， 则:222123||a a a a a a =⋅=++，222123||b b b b b b =⋅=++a ＋b ＝(a 1＋b 1，a 2＋b 2，a 3＋b 3)，a －b ＝(a 1－b 1，a 2－b 2，a 3－b 3)，λa ＝(λa 1，λa 2，λa 3)，a ·b ＝a 1b 1＋a 2b 2＋a 3b 3，a ⊥b ⇔a 1b 1＋a 2b 2＋a 3b 3＝0，a ∥b ⇔a 1＝λb 1，a 2＝λb 2，a 3＝λb 3(λ∈R )， cos 〈a ，b 〉＝a ·b|a |·|b |＝a 1b 1＋a 2b 2＋a 3b 3a 21＋a 22＋a 23·b 21＋b 22＋b 23. (2)设A (x 1，y 1，z 1)，B (x 2，y 2，z 2)，则AB →＝OB →－OA →＝(x 2－x 1，y 2－y 1，z 2－z 1)． 5.直线的方向向量与平面的法向量的确定(1)直线的方向向量：l 是空间一直线，A ，B 是直线l 上任意两点，则称AB →为直线l 的方向向量，与AB →平行的任意非零向量也是直线l 的方向向量，则一条直线的方向向量可以有无数个． (2)平面的法向量①定义：与平面垂直的向量，称做平面的法向量．一个平面的法向量有无数多个，任意两个都是共线向量．②确定：设a ，b 是平面α内两不共线向量，n 为平面α的法向量，则法向量的方程组为⎩⎪⎨⎪⎧n·a ＝0，n·b ＝0. 6. 共线向量:如果表示空间向量的有向线段所在直线互相平行或重合,则这些向量 7. 叫做共线向量(或平行向量),记作a ∥b . 8. 面向量:平行于同一平面的向量,叫做共面向量.9. 共面向量定理：如果两个向量a 、b 不共线，那么向量p 与向量a 、b 共面的 充要条件是存在有序实数组(x ，y )，使得p ＝x a ＋ y b . 9.利用向量处理求解立体几何问题： (1)直线与平面的位置关系：①若a ∥n ,即a =λn , 则 L ∥ α ②若a ⊥n ,即a·n = 0,则a ∥ α.(2) 平面与平面的位置关系：平面α的法向量为n 1 ,平面β的法向量为n 2 ①若n 1∥n 2，即n 1=λn 2，则α∥β ； ②若n 1⊥n 2，即n 1 ·n 2= 0，则α∥β10.点到平面的距离：A 为平面α外一点, n 为平面α的法向量,过A 作平面α的斜线AB 及垂线AH.= = , 即:AB →在法向量n 上投影的绝对值。
空间几何与向量运算点线面的位置关系与运算
空间几何与向量运算点线面的位置关系与运算空间几何与向量运算是数学中的重要分支，研究点、线、面在空间中的位置关系以及进行相应的运算操作。
在实际应用中，空间几何与向量运算广泛应用于物理学、工程学等领域。
本文将详细讨论点、线、面在空间中的位置关系和对应的运算方式。
一、点在空间中的位置关系在空间几何中，点是空间的最基本元素，它没有长度、宽度和高度。
点与点之间的位置关系可以通过坐标系来描述。
常用的坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。
1. 直角坐标系直角坐标系是最常用的坐标系，用三个坐标轴x、y、z相互垂直组成，固定在空间中的三个直线上。
点在直角坐标系中的位置可以用三个坐标(x, y, z)来表示，其中x表示点在x轴上的投影位置，y表示点在y轴上的投影位置，z表示点在z轴上的投影位置。
2. 柱坐标系和球坐标系柱坐标系和球坐标系是常用的极坐标系。
在柱坐标系中，点的位置由径向距离、极角和高度来确定，记作(r, θ, z)，其中r表示点到极坐标原点的距离，θ表示点到正极轴的角度，z表示点在z轴上的投影位置。
在球坐标系中，点的位置由球半径、极角和方位角来确定，记作(r, θ, φ)，其中r表示点到球心的距离，θ表示点到正半轴的角度，φ表示点到正极面的角度。
二、线在空间中的位置关系与运算线是由无数个点连接而成的集合，线在空间中的位置关系有直线、平行线、相交线等。
对于线的运算操作，主要包括长度、夹角、平移、旋转等。
1. 长度线的长度是线段两个端点之间的距离，可以通过计算两个点的坐标来求得。
对于直线则无法直接求得长度。
2. 夹角两条线之间的夹角是指这两条线在空间中交汇处的夹角。
可以通过计算两条线的方向向量来求得夹角。
3. 平移平移是指将一条线段按照指定的平移向量进行移动，其位置和形状保持不变。
平移操作可以通过向直线的每个点添加平移向量得到。
4. 旋转旋转是指将一条线段按照指定的旋转角度和旋转轴进行旋转，其位置和形状保持不变。
空间直角坐标系线面平行公式
空间直角坐标系线面平行公式在空间直角坐标系中，线与面的平行关系是一个重要的几何问题。
它涉及到线段和平面的数学关系，对于解决实际问题和进行几何证明都具有重要意义。
在本文中，我将介绍空间直角坐标系中线与面平行的公式及其推导过程。
一、线与平面的平行定义在三维空间中，一条直线与一个平面平行，是指这条直线与该平面内的任意一条直线平行。
直观上，可以理解为直线沿着平面上的一个方向延伸，而不会与平面相交。
二、平行线面的判定方法要判断一条直线与一个平面是否平行，可以通过以下方法进行判定：1. 利用方向向量判断设直线的方向向量为a，平面的法向量为n。
如果向量a与向量n之间的点积为零，则可以判定直线与平面平行。
2. 利用直线上一点到平面的距离判断选择直线上的一个点作为坐标原点，设该点到平面的距离为 d。
如果平面上的任意一点到原点的矢径与法向量之间的夹角都相等，则可以判定直线与平面平行。
三、线面平行的公式推导在空间直角坐标系中，设直线上一点为A(x₁, y₁, z₁)，直线的方向向量为l（l₁, l₂, l₃），平面的法向量为n（n₁, n₂, n₃），平面上一点为 P(x, y, z)。
根据点积的定义，直线的方向向量与法向量之间的点积为：l ·n= l₁ * n₁ + l₂ * n₂ + l₃ * n₃对于直线上的一点A(x₁, y₁, z₁) 和平面上的一点 P(x, y, z)，设 AP 的位置向量为r（x - x₁, y - y₁, z - z₁）。
根据判定方法中的向量点积为零的条件，我们可以得出以下平行公式：(l₁ * n₁ + l₂ * n₂ + l₃ * n₃) * (x - x₁) + (l₁ * n₁ + l₂ * n₂ + l₃ * n₃) * (y - y₁) + (l₁ * n₁ + l₂ * n₂ + l₃ * n₃) * (z - z₁) = 0以上就是线与平面平行的公式推导过程。
空间向量点线面的位置关系
空间向量点线面的位置关系在三维空间中，点、线和面是基本的几何要素。
它们的位置关系在数学和几何学中扮演着重要的角色。
本文将探讨空间向量中点、线和面之间的不同位置关系及其特点。
一、点和线的位置关系在三维空间中，点和线的位置关系主要有以下几种情况。
1. 点在线上：如果一个点位于一条直线上，那么这个点与直线上的任意两点构成的向量都是共线的。
换句话说，点和线的向量共线。
2. 点在线的延长线上：点也可以位于一条线的延长线上，这时点与线上的任意两点构成的向量也是共线的。
3. 点与线相交：在三维空间中，点还可以与一条直线相交。
这时，点与线上的任意两点构成的向量不再共线。
4. 点与线平行：若一点与直线平行，则该点与直线上的任意两点构成的向量平行。
但是，点与线平行并不意味着点在线的延长线上。
二、点和面的位置关系点和面的位置关系也有几种情况，如下所示。
1. 点在面上：如果一个点位于一个平面上，那么这个点与平面上的任意三个点构成的向量都在同一个平面内。
2. 点在面的延长线上：点也可以位于一个平面的延长线上，这时点与平面上的任意三个点构成的向量仍在同一个平面内。
3. 点在平面内但不在平面上：有时，一个点位于一个平面内部但不在平面上。
这时，点与平面上的任意三个点构成的向量不在同一个平面内。
4. 点与平面相交：在三维空间中，点还可以与一个平面相交。
这时，点与平面上的任意三个点构成的向量不在同一个平面内。
三、线和面的位置关系线和面的位置关系主要有以下几种情况。
1. 线在平面上：如果一条直线位于一个平面上，那么直线上的任意两点构成的向量都在同一个平面内。
2. 线与平面相交于一点：一个直线也可以与一个平面相交于一点。
这时，直线上的任意两点构成的向量不在同一个平面内。
3. 线与平面平行：若一条直线与一个平面平行，则直线上的任意两点构成的向量与平面内的向量平行。
但是，直线与平面平行并不意味着直线在平面上。
4. 线在平面的延长线上：一条直线还可以位于一个平面的延长线上，这时直线上的任意两点构成的向量仍在同一个平面内。
空间向量线面平行公式
空间向量线面平行公式
空间向量平行是三维坐标系中一个非常重要的概念，它是指两个向量或者一个向量和一个平面所在的直线方向相同。
换句话说，如果两个向量或者一个向量和一个平面所在的直线方向相同，那么它们就是平行的。
在三维空间中，我们可以用向量的方式来表示平行关系。
如果两个向量的方向完全相同，那么它们就是平行的。
当我们需要判断两个向量是否平行时，我们可以利用向量之间的点积（内积）进行计算。
具体地，两个向量a和b平行的条件是：
a·b=|a||b|
其中，a·b表示向量a和b的点积（内积），|a|和|b|表示向量a和b的长度。
如果两个向量的点积等于它们的长度乘积，那么这两个向量就平行。
除了向量之间的平行关系，我们还需要了解向量和平面之间的平行关系。
当一个向量与平面所在的直线方向相同，那么这个向量就是与该平面平行的向量。
我们可以使用平面法向量和向量之间的点积进行计算。
具体地，一个向量a和一个平面的法向量n平行的条件是：a·n=0
其中，a·n表示向量a和平面法向量n的点积（内积）。
如果它们的点积为0，那么这个向量就与该平面平行。
总结来说，空间向量线面平行公式非常重要，它可以帮助我们判断两个向量或者一个向量和平面之间的平行关系。
在进行计算时，需要注意向量之间的点积运算和平面法向量的确定。
熟练掌握平行关系的判断方法，可以帮助我们更好地理解和应用空间向量的相关知识。
空间向量证明线面垂直
空间向量证明线面垂直
在三维空间中，我们可以使用向量来证明线和面的垂直关系。
假设有一条直线 L，其方向向量为 a，过一点 P 的平面方程为 Ax
+ By + Cz + D = 0。
我们要证明直线 L 与平面的法向量垂直。
首先，我们知道直线 L 上的任意一点可以表示为 P = P0 + ta，其中 P0 是直线上的一个特定点，a 是直线的方向向量，t 是一个
实数。
假设直线 L 与平面的法向量为 n = (A, B, C)。
现在我们来证明直线 L 与平面的法向量垂直。
我们知道如果两
个向量垂直，它们的点积为零。
因此，我们可以计算直线的方向向
量与平面的法向量的点积：
a · n = Aa1 + Ba2 + Ca3。
其中，a1、a2 和 a3 是向量 a 的分量。
由于直线 L 上的任意
一点 P 可以表示为 P0 + ta，我们可以将 P 的坐标代入平面方程中：
A(P0x + tax) + B(P0y + tay) + C(P0z + taz) + D = 0。
展开并整理得到：
t(Aa1 + Ba2 + Ca3) + (AP0x + BP0y + CP0z + D) = 0。
由于上式对于直线 L 上的任意点成立，因此必须有 Aa1 + Ba2 + Ca3 = 0。
这意味着直线的方向向量与平面的法向量垂直，即直线和平面垂直。
因此，我们使用空间向量证明了直线和平面的垂直关系。
这种方法可以帮助我们在三维空间中分析线和面的相互关系，为我们理解空间中的几何关系提供了有力的工具。
空间线面关系的判定(2)
课题：空间线面关系的判定〔2〕主讲人 X 伟锋教学目标：1．能用向量语言描述线线、线面、面面的平行与垂直关系； 2．能用向量方法判断空间线面平行与垂直关系。
教学重点：用向量方法判断空间线面平行与垂直关系 教学难点：用向量方法判断空间线面平行与垂直关系 教学过程 一、复习引入1、用向量研究空间线面关系，设空间两条直线21,l l 的方向向量分别为21,e e ，两个平面21,αα的法向量分别为21,n n ，那么由如下结论二、数学运用 1、例 4 如图，矩形ABCD 和矩形ADEF 所在平面互相垂直，点N M ,分别在对角线AE BD ,上，且AE AN BD BM 31,31==,求证：//MN 平面CDE证明：建立如下图空间坐标系，设AB,AD,AF 长分别为3a ,3b ,3c),0,2(c a BM AB NA NM -=++=又平面CDE 的一个法向量)0,3,0(b AD = 由0=⋅AD NM得到AD NM⊥因为MN 不在平面CDE 内 所以NM//平面CDE2、例5在正方体1111D C B A ABCD -中,E,F 分别是BB 1,,CD 中点，求证：D 1F ⊥平面ADE证明：设正方体棱长为1，建立如下图坐标系D -xyz)0,0,1(=DA ,)21,,1,1(=DE因为)1,21,0(1-=F D所以0,011=⋅=⋅DE F D DA F DDE F D DA F D ⊥⊥11,D DA DE =所以⊥FD 1平面ADE3、补充 (2004年某某高考理科试题)如图，在底面是菱形的四棱锥P —ABCD 中,︒=∠60ABC ，,2,a PD PB a AC PA ====点E 在PD 上,且PE :ED = 2: 1.(Ⅲ)在棱PC 上是否存在一点F, 使BF ∥平面AEC?证明你的结论.该问为探索性问题，作为高考立体几何解答题的最后一问，用传统方法求解有相当难度，但使如果我们建立如下图空间坐标系，借助空间向量研究该问题，不难得到如下解答：根据题设条件，结合图形容易得到：)3,32,0(,),,0(,)0,2,23(a a E a a D a a B - ),0,0(,)0,2,23(a P a a C),2,23(a aa CP --=假设存在点FCP CF λ=),2,23(a aa λλλ--=。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
B1
A1
C1
6
M
B
1 90
C
30 A
你能试着建立适当的空间直角 坐标系，用坐标表示向量，再证明 它们互相垂直吗？
z
证明：分别以 CA,CB,CC1
C1
B 1 所在直线为 x 轴，y 轴，z 轴，建
0
,0
M
,
6 2
A 1 3,1, 6
立空间直角坐标系 C xyz
图中相应点的坐标为：
6
C 90
e 1 ur e2
u r u r u r u r
l1 // l2 e1//e2 e1e2
l1
ur
e1
ur e2
l2
u r u r u ru r l1 l2 e1 e2 e1e20
练习1：设直线l，m的方向向量分别 为 a，b，根据下列条件判断
l，m的位置关系：
( 1 ) a ( 2 , 1 , 2 )b ,( 6 , 3 , 6 ) ( 2 ) a ( 1 ,2 , 2 )b , ( 2 ,3 ,2 ) ( 3 ) a ( 0 ,0 ,1 )b , ( 0 ,0 , 3 )
如果要判定两条直线 a、 b 垂直 ，
可以r 通过r 证明它们的方向向量 ， 的数a 量积b 为0实现
1
3 30 2
A
3, 0, 0
x
B 0,1, 0
y
A1 3,1, 6 , B0,1,0
A 3,0,0
,M
0 , 0 ,
6 2
所以：
uuur
uuuu r
A 1B3,0,6,AM3,0,
6 2
uuu r uuuu r
所以： ABAM0 即， A1BAM
课堂小结：
本节课主要研究了用向量的方法 判定空间线线、线面垂直关系。
例1.
D1 C1
在正方体ABCD- A1 P
N B1
A1B1C1D1中M是A1B 的中点，N是A1C1的
中点. 求证：
M
MN∥平面AD1.且
D
C Q
MN∥ AD1， MN= 1 AD1 A 2
RB
例2：
如图，在正方体 ABCDA1B1C1D 1中，CD1和DC1 相交于点 O ，求证：AOA1B
E
C
F
y
B
例3、如图，在直三棱柱 A B C - A1 B1C 1 中，
A C B 9 0 , B A C 3 0 ,B C 1 ,A 1 A 6 ,
M 是棱 C C 1 的中点，
求证：A1BAM
B1
A1
C1
6
M
B
1 90
C
30 A
思路1：u A u 1 u B ru A u M u u ru A u 1 u A r u A u B u ru A u C u r C u u M u u r
复习回顾
1、空间向量平行与垂直的充要条件
rr
2向 、x量, 共y upr面与，向向使量量得定：ar理, brup如r共果面两x的ar个充向要y量条br件a ,是b 不存共在线有，序那实数么组
r
e
3、直线 l 的方向向量是
l
思考：
我们能不能用直线的方向 向量来刻画空间线面位置关系？
l1 l2
ur
A1
D1
B1
A
C1
O
D
B
C
（用坐标运算的方法）
如图，在正方体 ABCDA1B1C1D 1中，CD1和DC1 相交于点 O ，求证：AOA1B
Z
A1
D1
B1
A B
x
C1
O
D
y
C
例5.在正方体 AB C A 1B D 1C 1D 1 中，E、F分别是BB1,， CD中点，求证：D1F 平面ADE
z
D1