直线方向向量与直线的向量方程
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§3.2.1直线的方向向量与直线的向量方程一.知识梳理1.给定一个定点A 和一个向量a ,再任给一个实数,以A 为起点作向量AP →=ta ,这时点P 的位置被完全确定.当t 在R 上变化时,点P 的轨迹是一条通过点A 且平行于向量a 的一条直线l 0.反之,在直线上任取一点P ,一定存在一个实数t ,使AP →=ta ,向量方程AP →=ta 通常称作_____________________ __,也表示为OP →=OA →+ta 及OP →=(1-t )OA →+tOB →2.设O 是空间任一点,M 是线段AB 的中点,则线段AB 中点的向量表示式是OM →= _. 3.设空间直线l 1和l 2的方向向量分别为v 1,v 2,则l 1∥l 2(或l 1与l 2重合)⇔________.4.已知两个非零向量v 1,v 2与平面α共面,一条直线l 的一个方向向量为v ,则l ∥α(或l ⊂α)⇔ __________________________________________________________.5. 已知两个不共线的向量v 1,v 2与α共面,则由两平面平行的判定和性质,得α∥β或α与β重合⇔ ;6.设两条直线所成角为θ(锐角),则直线方向向量的夹角与θ相等或互补,设直线l1和l2的方向向量分别为v1和v2,则l 1⊥l 2⇔_________,cos θ= ;.二.典型例题[例1] (线线平行)在长方体OAEB -O1A1E1B1中,|OA|=3,|OB|=4,|OO1|=2,点P 在棱AA1上,且|AP|=2|PA1|,点S 在棱BB1上,且|SB1|=2|BS|,点Q 、R 分别是O1B1、AE 的中点,求证:PQ ∥RS.【例2】(线面平行)如图所示,在正方体ABCD -A1B1C1D1中,M 、N 分别是C1C 、B1C1的中点.求证:MN ∥平面A 1BD .【例3】(线线成角) 如图所示,已知正四棱锥S —ABCD 侧棱长为2,底面边长为3,E 是SA 的中点,则异面直线BE 与SC 所成角的大小为______.【例4】(线线垂直问题)如图,在直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,AC =3,BC =4,AB =5,AA 1=4,点D 是AB 的中点.(Ⅰ)求证:AC ⊥BC 1;(Ⅱ)求证:AC 1∥平面CDB 1.§3.2.2平面的法向量与平面的向量表示一.知识梳理1.已知平面α,如果一个向量n的基线与平面α垂直,则向量n叫做_____________________________.。
3.2.1 直线的方向向量与直线的向量方程(二) 1.用向量运算证明两条直线垂直或求两条直线所成的角设两条直线所成的角为θ,v1和v2分别是l1和l2的方向向量则l1⊥l2⇔________,cos θ=________________.2.求两直线所成的角应注意的问题:在已知的两条直线上(或同方向上)取两条直线的方向向量v1,v2,所以cos〈v1,v2〉=v1·v2|v1||v2|.但要注意,两直线的夹角与〈v1,v2〉并不完全相同,当〈v1,v2〉为钝角时,应取________作为两直线的夹角.探究点一两条直线垂直问题怎样利用向量证明两直线垂直?例1 已知正方体ABCD—A′B′C′D′中,点M、N分别是棱BB′与对角线CA′的中点.求证:MN⊥BB′;MN⊥A′C.跟踪1在棱长为a的正方体OABC—O1A1B1C1中,E、F分别是AB、BC上的动点,且AE =BF,求证:A1F⊥C1E.例2 已知三棱锥O—ABC(如图),OA=4,OB=5,OC=3,∠AOB=∠BOC=60°,∠COA =90°,M,N分别是棱OA,BC的中点.求直线MN与AC所成角的余弦值.跟踪2长方体ABCD—A1B1C1D1中,AB=4,BC=BB1=2,E,F分别是面A1B1C1D1与面B1BCC1的中心,求异面直线AF与BE所成角的余弦值.探究点三探索性问题例3已知正三棱柱ABC—A1B1C1的各棱长都为1,M为底面BC边的中点,N为侧棱CC1上的点.(1)当CNCC1为何值时,MN⊥AB1;(2)在棱A1C1上是否存在点D,使MD∥平面A1B1BA,若存在,求出D的位置;若不存在,说明理由跟踪3 如图,已知平行六面体ABCD —A 1B 1C 1D 1的底面ABCD 是菱形,且∠C 1CB =∠C 1CD =∠BCD .问当CD CC 1的值等于多少时,A 1C ⊥BD 且 A 1C ⊥BC 1?【达标检测】1. 若直线l 1、l 2的方向向量分别为a =(1,2,-2),b =(-2,3,2),则 ( )A .l 1∥l 2B .l 1⊥l 2C .l 1、l 2相交但不垂直D .不能确定2.设l 1的方向向量a =(1,3,-2),l 2的方向向量b =(-4,3,m ),若l 1⊥l 2,则m 等于( )A .1B .52C .12D .33. 在正四面体ABCD 中,点E 为BC 中点, 点F 为AD 中点,则异面直线AE 与CF 所成角的余弦值为( )A. 13B. 12C. 23D. 634.如图所示,三棱柱OAB —O 1A 1B 1中,平面OBB 1O 1⊥平面OAB ,∠O 1OB =60°,∠AOB =90°,且OB =OO 1=2,OA =3,求异面直线A 1B 与AO 1所成角的余弦值.【课堂小结】用向量知识证明立体几何问题有两种基本思路:一种是用向量表示几何量,利用向量的运算进行判断;另一种是用向量的坐标表示几何量.共分三步:(1)建立立体图形与空间向量的联系,用空间向量(或坐标)表示问题中所涉及的点、线、面,把立体几何问题转化为向量问题;(2)通过向量运算,研究点、线、面之间的位置关系;(3)根据运算结果的几何意义来解释相关问题.3.2.1 直线的方向向量与直线的向量方程(二)一、基础过关1.若直线l 1的方向向量与l 2的方向向量的夹角是150°,则l 1与l 2这两条异面直线所成的角等于( )A .30°B .150°C .30°或150°D .以上均错 2.如图,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 .ACB .BDC .A 1D D .A 1A3.在正三棱柱ABC —A 1B 1C 1中,若AB =2BB 1,则AB 1与C 1B 所成角的大小为( )A .60°B .90°C .105°D .75°4.已知A (3,0,-1)、B (0,-2,-6)、C (2,4,-2),则△ABC 是( ) A .等边三角形 B .等腰三角形 C .直角三角形 D .以上都不对5.A 1B 1C 1—ABC 是直三棱柱,∠BCA =90°,点D 1,F 1分别是A 1B 1,A 1C 1的中点,若BC =CA =CC 1,则BD 1与AF 1所成角的余弦值是( ) A.3010 B.12 C.3015 D.1510 6.在△ABC 中,已知AB →=(2,4,0),BC →=(-1,3,0),则∠ABC =________.二、能力提升7.设ABCD 、ABEF 都是边长为1的正方形,F A ⊥平面ABCD ,则异面直线AC 与BF 所成的角为________.8.已知空间三点A (0,0,1),B (-1,1,1),C (1,2,-3),若直线AB 上一点M ,满足CM ⊥AB ,则点M 的坐标为________.9.已知两点A (1,-2,3),B (2,1,-1),则AB 连线与xOz 平面的交点坐标是____________.10.在正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中,M 是棱DD 1的中点,O 为正方形ABCD 的中心,证明OA 1⊥AM .11.如图所示,直三棱柱ABC—A1B1C1,底面△ABC中,CA=CB=1,∠BCA=90°,棱AA1=2,N是A1A的中点.(1)求BN的长;(2)求异面直线BA1与CB1所成角的余弦值.12.直四棱柱ABCD—A1B1C1D1中,底面ABCD是矩形,AB=2,AD=1,AA1=3,M是BC的中点.在DD1上是否存在一点N,使MN⊥DC1?并说明理由.三、探究与拓展13.已知△ABC,∠C=90°,SA⊥面ABC,且AC=2,BC=13,SB=29,求异面直线CS与AB所成角的余弦值.。
人教版选修21第三章直线的方向向量与直线的向量方程讲义讲堂合作探究重点难点突破知识点一 空间直线的向量参数方程给定一个定点A 和一个向量a ,再任给一个实数t ,以A 为开始作向量ta AP =①,如 下左图,这时点P 的位置被完全确定,向量方程①通常称作直线l 以t 为参数的参数方程,向量a 称为该直线的偏向向量。
如上右图,ta OA AP OA OP +=+=②,若在直线l 上取a AB =,则②式可化为()()OB t OA t OA OB t OA AB t OA OP +-=-+=+=1③,①或②或③都叫做空间直线的向量参数方程。
②和③的推导依据的是向量加法的三角形准则。
知识点二 用向量要领证明平行干系。
(1)设直线1l 和2l 的偏向向量分别为1v 和2v ,则由向量共线的条件,得21//l l (或1l 与2l 重合)21//v v ⇔。
(2)已知两个非零向量,1v ,2v 平面α共面,一条直线l 的一个偏向向量为v ,则由共面向量定理,可得α//l 或⇔⊂αl 存在两个实数y x ,,使21yv xv v +=。
(3)要是C B A ,,三点不共线,则点M 在平面ABC 内的充分必要条件是:存在一对实数y x ,,使向量表达式AC y AB x AM +=成立。
(4)已知两个不共线的向量21,v v 与平面α共面,则由两平面平行的鉴定与性质,得βα//或α与β重合β//1v ⇔且β//2v 。
知识点三 用向量运算求证两条直线垂直或求两条直线所成的角(1)两直线垂直的条件要是我们知道两条直线的偏向向量,我们就可以利用两个偏向向量是否垂直来鉴定两直线是否垂直,如下左图,设直线1l 、2l 的偏向向量分别为1v 、2v ,则有2121v v l l ⊥⇔⊥。
由上述条件,证明空间两条直线21l l ⊥可转化为证明两条直线的偏向向量垂直,即证明021=⋅v v 。
(2)两条直线所成的角 设空间两条直线所成的角为θ,当两直线平行时︒=0θ,当两直线垂直时︒=90θ,既 不平行也不垂直的两直线所成的角()︒︒∈90,0θ,所以空间两直线所成的角[]︒︒∈90,0θ。
1.若A (1,-2,3),B (2,5,6)在直线l 上,则直线l 的一个方向向量为( )A .(1,-2,3)B .(2,5,6)C .(1,7,3)D .(-1,-7,3)解析:∵AB =(1,7,3),又与AB 平行的非零向量都可作为l 的方向向量,∴(1,7,3)=AB 可作为l 的方向向量.答案:C2.已知a =(2,4,5),b =(3,x ,y )分别是直线l 1,l 2的方向向量,若l 1∥l 2,则( )A .x =6,y =15B .x =3,y =152C .x =3,y =15D .x =6,y =152解析:∵l 1∥l 2,∴a ∥b .∴32=x 4=y 5,即x =6,y =152. 答案:D3.正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,E 、F 分别为AB 、CC 1的中点,则异面直线EF 与A 1C 1所成角的大小是( )A .45°B .30°C .60°D .90° 解析:建立如图所示的直角坐标系,设正方体棱长为2,则E (0,1,2),F (2,2,1),A 1(0,0,0),C 1(2,2,0),∴EF =(2,1,-1),11A C =(2,2,0),∴cos 〈EF ,11A C 〉=1111..||||EF A C EF A C =66·8=32, ∴EF 与A 1C 1所成的角为30°.答案:B4.如图,在平行六面体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,点M ,P ,Q 分别为棱AB ,CD ,BC 的中点,若平行六面体的各棱长均相等,则①A 1M ∥D 1P ;②A 1M ∥B 1Q ;③A 1M ∥平面DCC 1D 1;④A 1M ∥平面D 1PQB 1.四个结论中正确的个数为( )A .1B .2C .3D .4解析:∵1A M =1A A +AM =1A A +12AB , 1D P =1D D +DP =1A A +12AB , ∴1A M ∥1D P ,从而A 1M ∥D 1P .可得①③④正确.又B 1Q 与D 1P 不平行,故②不正确.答案:C5.若AB =λCD +u CE (λ,u ∈R),则直线AB 与平面CDE 的位置关系是________. 解析:∵AB =λCD +u CE ,∴AB 与CD 、CE 共面,∴AB ∥平面CDE 或AB ⊂平面CDE .答案:AB ∥平面CDE 或AB ⊂平面CDE6.直线l 1的方向向量为v 1=(1,0,-1),直线l 2的方向向量为v 2=(-2,0,-2),则直线l 1与l 2的位置关系是________.解析:∵v 1·v 2=(1,0,-1)·(-2,0,-2)=0,∴v 1⊥v 2,∴l 1⊥l 2.答案:垂直7.在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,求证:平面A 1BD ∥平面CB 1D 1.证明:如图,分别以AB 、AD 、AA 1为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系,设正方体的棱长为1,则A 1(0,0,1),B (1,0,0),D (0,1,0),B 1(1,0,1),C (1,1,0),D1(0,1,1),1A B =(1,0,-1),1D C =(1,0,-1).11B D =(-1,1,0),BD =(-1,1,0),∴1A B ∥1D C ,11B D ∥BD .∴A 1B ∥D 1C ,B 1D 1∥BD .又∵D 1C ⊂平面B 1D 1C ,A 1B ⊄平面B 1D 1C ,∴A 1B ∥平面B 1D 1C ,同理BD ∥平面B 1D 1C .又∵A 1B ∩BD =B ,∴平面A 1BD ∥平面B 1D 1C .8.如图,在四棱锥P -ABCD 中,PA ⊥平面ABCD ,AB ⊥BC ,AB ⊥AD ,且PA =AB =BC =12AD =1. (1)求证:PC ⊥CD ;(2)求PB 与CD 所成的角.解:建立如图所示的空间直角坐标系,∵PA =AB =BC =12AD =1, ∴P (0,0,1),B (1,0,0),C (1,1,0),D (0,2,0).∴PB =(1,0,-1),CD =(-1,1,0),PC =(1,1,-1).(1)证明:∵PC ·CD =(1,1,-1)·(-1,1,0)=0 ∴PC ⊥CD .(2)cos 〈PB ,CD 〉=-1+0+02·2=-12. ∴〈PB ,CD 〉=120°.∴PB 与CD 所成的角为60°.。
3.2 空间向量在立体几何中的应用3.2.1 直线的方向向量与直线的向量方程学习 目 标核 心 素 养1.理解直线的方向向量,了解直线的向量方程.(重点)2.会用向量方法证明线线、线面、面面平行.(难点、易混点)3.会用向量证明两条直线垂直,求两条直线所成的角.(难点)1.通过学习直线的方向向量及方向方程等概念,培养学生的数学抽象素养.2.利用向量法证明两直线垂直,求两直线所成的角,提升学生的逻辑推理素养.1.用向量表示直线或点在直线上的位置(1)在直线l 上给定一个定点A 和它的一个方向向量a ,对于直线l 上的任意一点P ,则有AP →=ta 或OP →= 或OP →= AB →=a ),上面三个向量等式都叫做空间直线的 .向量a 称为该直线的方向向量.(2)线段AB 的中点M 的向量表达式OM →=12.2.用向量方法证明直线与直线平行、直线与平面平行、平面与平面平行 (1)设直线l 1和l 2的方向向量分别为v 1和v 2,则由向量共线的条件,得l 1∥l 2或l 1与l 2重合⇔ .(2)已知两个不共线向量v 1,v 2与平面α共面,一条直线l 的一个方向向量为v ,则由共面向量定理,可得l ∥α或l 在α内⇔存在两个实数x ,y ,使v = .(3)已知两个不共线向量v 1,v 2与平面α共面,则由两平面平行的判定与性质,得α∥β或α与β重合⇔ .3.用向量运算证明两条直线垂直或求两条直线所成的角设两条直线所成的角为θ,v 1和v 2分别是l 1和l 2的方向向量,则l 1⊥l 2⇔2,cos θ=||.1.直线l 1,l 2的方向向量分别为v 1=(3,0,1),v 2=(-1,0,m ),若l 1∥l 2,则m 等于( )A .1B .3 C.13D .-132.若A (1,0,-1),B (2,1,2)在直线l 上,则直线l 的一个方向向量是( ) A .(2,2,6) B .(1,1,3) C .(3,l,1)D .(-3,0,1)3.直线l 1与l 2不重合,直线l 1的方向向量为v 1=(-1,1,2),直线l 2的方向向量v 2=(2,0,1),则直线l 1与l 2的位置关系是________.空间中点的位置确定C (0,3,5).(1)若OP →=12(AB →-AC →),求P 点的坐标;(2)若P 是线段AB 上的一点,且AP ∶PB =1∶2,求P 点的坐标.[思路探究] (1)由条件先求出AB →,AC →的坐标,再利用向量的运算求P 点的坐标.(2)先把条件AP ∶PB =1∶2转化为向量关系,再运算. [解] (1)AB →=(-1,1,5),AC →=(-3,-1,5). OP →=12(AB →-AC →)=12(2,2,0)=(1,1,0).∴P 点的坐标为(1,1,0).(2)由P 是线段AB 上的一点,且AP ∶PB =1∶2,知AP →=12PB →.设点P 的坐标为(x ,y ,z ),则AP →=(x -3,y -4,z ),PB →=(2-x,5-y,5-z ), 故(x -3,y -4,z )=12(2-x,5-y,5-z ),即⎩⎪⎨⎪⎧ x -3=12(2-x )y -4=12(5-y ),z =12(5-z )得⎩⎪⎨⎪⎧x =83y =133.z =53因此P 点的坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫83,133,53.此类问题常转化为向量的共线、向量的相等解决,设出要求点的坐标,利用已知条件得关于要求点坐标的方程或方程组求解即可.1.已知点A (2,4,0),B (1,3,3),如图,以AB →的方向为正向,在直线AB 上建立一条数轴,P ,Q 为轴上的两点,且分别满足条件:(1)AP ∶PB =1∶2; (2)AQ ∶QB =2∶1. 求点P 和点Q 的坐标.利用向量法求异面直线的夹角【例2】(1)直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠BCA=90°,M,N分别是A1B1,A1C1的中点,BC=CA=CC1,则BM与AN所成角的余弦值为()A.110 B.25 C.3010 D.22(2)如图所示,四边形ABCD和ADPQ均为正方形,它们所在的平面互相垂直,动点M在线段PQ上,E,F分别为AB,BC的中点,设异面直线EM与AF所成的角为θ,则cos θ的最大值为________.[思路探究](1)建立空间直角坐标系,表示出BM→,AN→的坐标,利用向量法求解;(2)以A为原点,建立空间直角坐标系,设出正方形的边长,表示出向量AF→,EM→的坐标,建立函数关系式讨论最值.(1)C(2)25[(1)以C1为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,设BC=CA=CC1=2,则A(2,0,2),N(1,0,0),M(1,1,0),B(0,2,2),∴AN→=(-1,0,-2),BM→=(1,-1,-2),∴cos〈AN→,BM→〉=AN→·BM→|AN→||BM→|=-1+45×6=330=3010.(2)以AB,AD,AQ所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立如图所示的空间直角坐标系Axyz,设正方形边长为2,M(0,y,2)(0≤y≤2),则A(0,0,0),E(1,0,0),F (2,1,0),∴EM →=(-1,y,2),|EM →|=y 2+5,AF →=(2,1,0),|AF →|=5,∴cos θ=|EM →·AF →||EM →||AF →|=|y -2|5·y 2+5=2-y 5·y 2+5.令t =2-y ,要使cos θ最大,显然0<t ≤2. ∴cos θ=15×t 9-4t +t 2=15×1⎝ ⎛⎭⎪⎫3t -232+59≤15×1⎝ ⎛⎭⎪⎫32-232+59=15×25=25. 当且仅当t =2,即点M 与点Q 重合时,cos θ取得最大值25.]利用向量求异面直线所成角的步骤 (1)确定空间两条直线的方向向量; (2)求两个向量夹角的余弦值;(3)确定线线角与向量夹角的关系:当向量夹角为锐角时,即为两直线的夹角;当向量夹角为钝角时,两直线的夹角为向量夹角的补角.提醒:两异面直线夹角范围为⎝ ⎛⎦⎥⎤0,π2,时刻注意两异面直线夹角的范围是解题的关键.2.如图所示,已知正四棱锥P -ABCD 底面边长为a ,高PO 的长也为a ,E ,F 分别是PD ,PA 的中点,求异面直线AE 与BF 所成角的余弦值.利用空间向量处理平行问题1.直线的方向向量在确定直线时起到什么作用? [提示] (1)非零性:直线的方向向量是非零向量.(2)不唯一性:直线l 的方向向量有无数多个,可以分为方向相同和相反两类,它们都是共线向量.(3)给定空间中的任一点A 和非零向量a ,就可以确定唯一一条过点A 且平行于向量a 的直线.2.两条平行直线的方向向量有什么关系?[提示] 设直线l ,m 的方向向量分别为a ,b ,则l ∥m ⇔a ∥b ⇔a =λb . 【例3】 (1)已知直线l ∥平面ABC ,且l 的一个方向向量为a =(2,m,1),A (0,0,1),B (1,0,0),C (0,1,0),则实数m 的值是________.(2)如图所示,已知正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的棱长为2,E ,F 分别是BB 1,DD 1的中点,求证:FC 1∥平面ADE .(1)-3 [AB →=(1,0,-1),AC →=(0,1,-1).因为l ∥平面ABC ,所以存在实数λ,μ,使a =λAB →+μAC →, 即(2,m,1)=λ(1,0,-1)+μ(0,1,-1). ∴⎩⎪⎨⎪⎧λ=2,m =μ,-λ-μ=1,解得m =-3.](2)[证明] 如图所示,建立空间直角坐标系Dxyz ,则有D (0,0,0),A (2,0,0),C (0,2,0),C 1(0,2,2),E (2,2,1),F (0,0,1).所以FC 1→=(0,2,1),DA →=(2,0,0),AE →=(0,2,1), 因为DA ⊂平面ADE , AE ⊂平面ADE ,且(0,2,1)=0×(2,0,0)+1×(0,2,1), 即FC 1→=0×DA →+1×AE →,所以有FC 1⊂平面ADE 或FC 1∥平面ADE , 又因为FC 1⊄平面ADE , 所以FC 1∥平面ADE .1.(改变问法)本例3中若G ,H 分别为AD ,B 1C 1的中点.试求证EG ∥FH . 2.(改变问法)本例3条件不变,改为求平面ADE ∥平面B 1C 1F .(1)证两条直线平行可转化为证明两直线的方向向量平行.(2)用向量法证明线面平行:一是证明直线的方向向量与平面内的某一向量是共线向量且直线不在平面内;二是证明直线的方向向量与平面内的两个不共线向量是共面向量且直线不在平面内.(3)利用向量证明面面平行,可转化为证明线面平行.提醒:利用直线的方向向量证明直线与直线平行、直线与平面平行时,要注意向量所在的直线与所证直线或平面无公共点.1.思考辨析(1)直线l 的方向向量是唯一的.( )(2)若两条直线平行,则它们的方向向量的方向相同或相反.( ) (3)若向量a 是直线l 的一个方向向量,则向量ka 也是直线l 的一个方向向量.( )2.若A (-1,0,1),B (1,4,7)在直线l 上,则直线l 的一个方向向量为 ( ) A .(1,2,3) B .(1,3,2) C .(2,1,3)D .(3,2,1) 3.若异面直线l 1,l 2的方向向量分别是a =(0,-2,-1),b =(2,0,4),则异面直线l 1与l 2的夹角的余弦值等于( )A .-25B.25 C .-255D.2554.若AB →=aCD →+bCE →(a ,b 为实数),则直线AB 与平面CDE 的位置关系为________.。