第七节 空间向量的应用(一) 平行与垂直

间直角坐标系．设正方体的棱长为 1，
则可得 M(0,1，12)，N(21，1,1)，D(0,0,0)，A1(1,0,1)，B(1,1,0)．
于是
uuuur MN
＝(21，0，21)，
uuuur DA1
＝(1,0,1)，
uuuur DB1
＝(1,1,0)．
设平面 A1BD 的法向量是 n＝(x，y，z)．
34
(2)由 PA⊥平面 ABCD，所以 PA⊥CD，又 AD⊥CD，所以 CD⊥平面 PAD，
又 AF⊂平面 PAD，所以 CD⊥AF， 又△PAD 为等腰直角三角形，F 为 PD 中点， 所以 AF⊥PD，所以 AF⊥平面 PCD. 由(1)EG∥AF，所以 EG⊥平面 PCD， 又 EG⊂平面 PEC，所以，平面 PCD⊥平面 PEC.
则 λ 等于( B )
2
9
A.3
B.2
C．－29
D．－32
5
解析：因为 a∥b，所以－13＝－λ32＝－25125，
解得 λ＝92，故选 B.
6
3.若直线 l 的方向向量为 a，平面 α 的法向量为 n，能使
l∥α 的是( D )
A．a＝(1,0,0)，n＝(－2,0,0) B．a＝(1,3,5)，n＝(1,0,1) C．a＝(0,2,1)，n＝(－1,0，－1) D．a＝(1，－1,3)，n＝(0,3,1)
26
【温馨提示】 证明线面平行和垂直问题，可以用几何 法，也可以用空间向量法．用向量法的关键在于构造向量， 再用共线向量定理或共面向量定理及两向量垂直的判定定 理，对于易建立空间直角坐标系的题，这种方法很方便．
27
【跟踪训练 2】 如图，正方体 ABCD-A1B1C1D1 的棱长为 4， E，F 分别是 BC，CD 上的点，且 BE＝CF＝3.

空间几何中的平行与垂直在空间几何中，平行和垂直是两个重要的概念。

它们用来描述线、面和空间中的关系，帮助我们理解和解决各种几何问题。

本文将介绍平行和垂直的定义、判定方法，以及它们在空间几何中的应用。

一、平行的定义和判定在平面几何中，我们知道两条直线要想平行，它们的斜率必须相等。

但是在空间几何中，直线不再只有斜率这一个属性，因此平行的定义也有所不同。

在空间中，我们把两条直线称为平行线，当且仅当它们处于不同平面上，且不相交。

也就是说，两条平行线可以看作是两个相互平行且不相交的平面上的交线。

判定平行的方法有以下几种：1. 通过判断两条直线的方向向量是否平行。

如果两条直线的方向向量相等或成比例，那么它们是平行的。

2. 通过判断两条直线上的一点到另一条直线的垂足距离是否为0。

如果两条直线上的所有垂足距离都为0，那么它们是平行的。

3. 通过判断两个平面的法向量是否平行。

如果两个平面的法向量相等或成比例，那么它们是平行的。

二、垂直的定义和判定在空间几何中，垂直用来描述直线、平面和空间中的相互关系。

两条直线、两个平面或一条直线与一个平面之间的垂直关系都具有重要意义。

在空间中，我们把两条直线称为垂直线，当且仅当它们在某个平面上相交，并且互相垂直。

也就是说，两条垂直线可以看作是相互垂直的平面上的交线。

判定垂直的方法有以下几种：1. 通过判断两条直线的方向向量的数量积是否为0。

如果两条直线的方向向量的数量积为0，那么它们是垂直的。

2. 通过判断直线上的一点到另一条直线的垂足是否在另一条直线上。

如果两条直线上的所有垂足都在另一条直线上，那么它们是垂直的。

3. 通过判断一条直线的方向向量是否与一个平面的法向量垂直。

如果一条直线的方向向量与一个平面的法向量垂直，那么它们是垂直的。

三、平行和垂直的应用平行和垂直在空间几何中有着广泛的应用。

以下是一些常见的应用场景：1. 平行线的应用：平行线可用于构建平行四边形、矩形等各种图形。

空间向量的平行与垂直定理空间向量的平行与垂直定理是空间向量运算中的一条重要定理，它描述了空间中两个向量的平行和垂直关系。

在研究物理、几何和力学等领域时，我们经常需要判断两个向量之间的关系，这个定理就为我们提供了一个有力的工具。

我们来研究两个向量的平行性。

如果两个向量的方向相同或相反，那么它们是平行的。

也就是说，如果向量A和向量B的方向相同或相反，我们可以写成A∥B。

这种平行关系可以用向量的数量积来判断。

具体来说，如果两个向量A和B的数量积等于它们的模长的乘积，即A·B=|A||B|，那么向量A和向量B是平行的。

接下来，我们来研究两个向量的垂直性。

如果两个向量的数量积等于0，那么它们是垂直的。

也就是说，如果向量A和向量B的数量积为0，我们可以写成A⊥B。

这种垂直关系可以用向量的数量积来判断。

具体来说，如果两个向量A和B的数量积等于0，即A·B=0，那么向量A和向量B是垂直的。

空间向量的平行与垂直定理在几何和物理问题中有广泛的应用。

例如，在平面几何中，我们经常需要判断两条线段的平行性或垂直性。

根据空间向量的平行与垂直定理，我们可以通过计算两个向量的数量积来判断它们之间的关系。

这样，我们就可以得到准确的结论，避免了繁琐的几何证明过程。

在物理学中，空间向量的平行与垂直定理也具有重要的应用价值。

例如，在力学中，我们经常需要计算物体受力的情况。

如果两个力的方向相同或相反，那么它们是平行的；如果两个力的数量积为0，那么它们是垂直的。

根据空间向量的平行与垂直定理，我们可以通过计算向量的数量积来判断力的方向和性质，从而进行精确的力学分析。

除了在几何和物理中的应用，空间向量的平行与垂直定理还可以应用于其他领域。

例如，在计算机图形学中，我们经常需要计算向量的平行和垂直关系，以确定图形的方向和位置。

在工程学中，空间向量的平行与垂直定理可以应用于结构分析和力学设计等方面。

空间向量的平行与垂直定理是空间向量运算中的一条重要定理，它描述了空间中两个向量的平行和垂直关系。

②∵u＝(0,3,0)，v＝(0，－5,0)，∴u＝－
3 5
v，
∴u∥v，∴α∥β.
③∵u＝(2，－3,4)，v＝(4，－2,1)，
∴u与v不共线，也不垂直，
∴α与β相交但不垂直．
(3)①∵u＝(2,2，－1)，a＝(－3,4,2)，
∴u·a＝－6＋8－2＝0，
∴u⊥a，∴l⊂α或l∥α.
②∵u＝(0,2，－3)，a＝(0，－8,12)，∴u＝－
贝 多 芬
你知道托尔斯泰哪些 文学代表作？
它们在俄国历史上起 过什么作用？
托尔斯泰晚年为什么 选择“平民化”的道
“我要扼住命运的咽喉，它决不能使我 完全屈服”
——贝多芬
1.当时贝多芬遇到了怎样的厄 运？
2.他是怎样“扼住命运的咽 喉”？
《吃土豆的人》
哪一首乐曲标志着贝多芬在艺术 上和思想上的成熟？
b，∴a∥b，∴l1∥l2.
②∵a＝(5,0,2)，b＝(0,4,0)，
∴a·b＝0，∴a⊥b，
∴l1⊥l2.
③∵a＝(－2,1,4)，b＝(6,3,3)，
∴a与b不共线，也不垂直，∴l1与l2相交或异面．
(2)①u＝(1，－1,2)，v＝3，2，－12 ，
∴u·v＝3－2－1＝0，∴u⊥v，∴α⊥β.
A．(2,3,1)
B．(1，－1,2)
C．(1,2,1)
D．(1,0,3)
解析：A→D＝xA→B＋yA→C＝(x＋y，x＋2y，x－y)， 对四个选项逐个检验，只有当(x＋y，x＋2y，x－y)＝
(1,0,3)时有解xy＝ ＝2－1 . 答案：D
1．注意用向量中的有关公式及变形，借助建立直角坐 标系将复杂的几何问题化为简单的代数问题．

则nn11··AA→→11FB1＝＝00⇒y－1＝x10＋，y1－12z1＝0.
栏目 导引
第三章 空间向量与立体几何
所 以 平 面 A1B1F 的 一 个 法 向 量 为 n1 ＝
－21，0，1.(5 分)
设平面 C1DE 的一个法向量为 n2＝(x2，y2，z2)，
则nn22··DD→→EC1＝＝00⇒12y2x＋2＋z2y＝2＝0 0，∴xz22＝＝－－y22y2，
(1，1，0)，
栏目 导引
第三章 空间向量与立体几何
设平面 A1BD 的法向量 n＝(x，y，z)， 则 n·D→A1＝0 且 n·D→B＝0， 得xx＋ ＋zy＝＝00，， 取 x＝1，得 y＝－1，z＝－1. ∴n＝(1，－1，－1)．
栏目 导引
第三章 空间向量与立体几何
∴M→N·n＝21，0，12·(1，－1，－1)＝0，
栏目 导引
第三章 空间向量与立体几何
【思路点拨】 (1)证明面面垂直即证它们的
法 向 量 垂 直 ； (2) 证 C1P ⊥ 平 面 A1DE ， 只 要 证 C1P的方向向量和平面A1DE的法向量平行．
栏目 导引
第三章 空间向量与立体几何
【解】 如图，建立空间直角坐标系． 设正方体的棱长为 1， 则 A1(1，0，1)，B1(1，1，1)，
栏目 导引
第三章 空间向量与立体几何
∴O→A＝(1，－1，0)， O→P＝(－1，－1，1)， B→Q＝(－2，0，c)， B→D1＝(－2，－2，2)． 设平面 PAO 的法向量为 n1＝(x，y，z)，
栏目 导引
第三章 空间向量与立体几何
变式训练
3. 如图，在直三棱柱ABC­A1B1C1中，AB⊥BC ，AB＝BC＝2，BB1＝1，E为BB1的中点，求证 ：平面AEC1⊥平面AA1C1C.

B．－13，23，－23 D．23，13，－23
解析：验证4个选项，可知C正确．
第8章 第1节 第1课时
第19页
名师伴你行 ·高考一轮总复习 ·数学（理）
(2)若平面α，β的法向量分别为n1＝(2，－3,5)，n2＝(－
报
告 一
3，1,4)，则(
C
)
A．α∥β
课
B．α⊥β
一
u2＝(a2，b2，c2)．
课 时
若α1⊥α2，则u1⊥u2⇔u1·u2＝0⇔ a1a2＋b1b2＋c1c2＝0 .
作 业
报
若α1∥α2，则u1∥u2⇔u1＝ku2⇔
告 二
__(_a_1_，__b_1，__c_1_)_＝__k_(a_2_，__b_2_，__c_2)__．
第8章 第1节 第1课时
第10页
第8章 第1节 第1课时
第32页
名师伴你行 ·高考一轮总复习 ·数学（理）
(3)借助棱锥的高线建系等．对于正棱锥，利用顶点在底面
报 的射影为底面的中心，可确定z轴，然后在底面确定互相垂直
告 一
的直线分别为x，y轴．如图4.
课
时
作
业
报 告 二
第8章 第1节 第1课时
时
〈D→A，B→C〉，
作 业
报 告
解得cos〈D→A，B→C〉＝ 22，所以〈D→A，B→C〉＝45°.
二
所以所成二面角的大小为135°.
第8章 第1节 第1课时
第23页
名师伴你行 ·高考一轮总复习 ·数学（理）
报
告
一
课
报告二 名校备考方案调研
时 作 业
报 告 二
第8章 第1节 第1课时

空间向量的平行与垂直关系解析在三维空间中，向量是常用来表示大小和方向的物理量。

当我们研究向量时，经常会遇到它们之间的平行与垂直关系。

本文将对空间向量的平行与垂直关系进行解析，并介绍相关的概念和性质。

一、向量的定义与表示在三维空间中，一个向量可以由它的起点和终点表示。

一个向量通常用字母加箭头来表示，如向量AB记作→AB。

向量的起点和终点可以是任意两个点，向量的长度可以用有向线段的长度来表示。

在直角坐标系中，一个三维向量可以表示为一个有序三元组(a, b, c)，其中a、b、c是向量在x轴、y轴和z轴上的投影。

二、向量的平行关系1. 定义当两个非零向量的方向相同或相反时，这两个向量被称为平行向量。

简而言之，如果两个向量的方向相同或相反，则它们是平行的。

使用数学符号表示，则有向量→AB ∥向量→CD，或者写作向量→AB || 向量→CD。

2. 判断方法有几种方法可以判断两个向量是否平行，以下是两种常用方法：- 方法一：比较向量的方向比率。

如果两个向量的两个分量的比例相同，则这两个向量是平行的。

例如，向量A(1, 2, 3)与向量B(2, 4, 6)的三个分量的比例都是1：2：3，因此向量A与向量B是平行的。

- 方法二：比较向量的法向量。

如果两个向量的法向量是平行的，那么这两个向量是平行的。

法向量是指将向量的分量进行交换，并改变其中一个分量的符号得到的新向量。

例如，向量A(1, 2, 3)的法向量是向量(-3, 1, -2)。

如果向量A和向量B的法向量平行，那么向量A和向量B是平行的。

三、向量的垂直关系1. 定义当两个非零向量的夹角为直角（90度）时，这两个向量被称为垂直向量。

使用数学符号表示，则有向量→AB ⊥向量→CD，或者写作向量→AB⊥向量→CD。

2. 判断方法有几种方法可以判断两个向量是否垂直，以下是两种常用方法：- 方法一：通过向量的点乘运算。

如果两个向量的点乘结果为0，则这两个向量是垂直的。

第4讲空间向量的应用知识梳理1．空间中任意一条直线l的位置可以由l上一个定点以及一个向量确定，这个向量叫做直线的方向向量．2．若直线l垂直于平面α，取直线l的方向向量a，则a⊥α，则a叫做平面α的法向量．3.(1)线线垂直：设直线l，m的方向向量分别为a，b，则l⊥m⇔a⊥b⇔a·b＝0.(2)线面垂直：设直线l的方向向量为a，平面α的法向量为u，则l⊥α⇔a∥u⇔a＝k u，k∈R.(3)面面垂直：若平面α的法向量为u，平面β的法向量为ν，则α⊥β⇔u⊥ν⇔u·ν＝0.4．设两异面直线所成的角为θ，它们的方向向量分别为a，b，则cos θ＝|a·b||a||b|.5．设直线l与平面α所成的角为θ，直线l的方向向量为a，平面α的法向量为n，则sin θ＝|cos〈a，n〉|＝|a·n||a||n|.6．设二面角α－l－β的平面角为θ，平面α，β的法向量分别为n1，n2，则|cos θ|＝|n1·n2| |n1||n2|.考点题型知识点1 直线的方向向量与平面的法向量【例1-1】（焦作期末）若点，在直线l上，则直线l的一个方向向量为A. B. C. D.【例1-2】（广州期末）设是直线l的方向向量，是平面的法向量，则A. B. C. 或 D. 或【变式训练1-1】（沙坪坝区校级模拟）若直线l的方向向量为，平面的法向量为，则能使的是A. B.C. D.【变式训练1-2】（东阳市模拟）已知，，分别是平面，，的法向量，则，，三个平面中互相垂直的有A. 3对B. 2对C. 1对D. 0对知识点2 用空间向量研究直线、平面的平行关系【例2-1】（浙江模拟）已知在正四棱柱中，，，点E为的中点，点F为的中点．求证：．【例2-2】（柯城区校级模拟）如图，在底面为平行四边形的四棱锥中，，平面ABCD，且，点E是PD的中点．求证：平面AEC．【例2-3】（金华期末）如图，已知棱长为4的正方体中，M，N，E，F分别是棱，，，的中点，求证：平面平面EFBD．【变式训练2-1】（宿迁期末）如图，在长方体中，，，，点P在棱上，且，点S在棱上，且，点Q、R分别是棱、AE的中点．求证：．【变式训练2-2】（朝阳区期末）已知正方体的棱长为2，E，F分别是，的中点，求证：平面ADE；平面平面F.知识点3 用空间向量研究直线、平面的垂直关系【例3-1】（扬州期末）如图，在四棱锥中，底面ABCD为直角梯形，，，底面ABCD，且，M为PC的中点．求证：【例3-2】（上城区校级模拟）如图所示，在正方体中，E，F分别是，DC的中点，求证：平面F.【例3-3】（点军区校级月考）如图，在五面体ABCDEF中，平面ABCD，，，M为EC的中点，求证：平面平面CDE．【变式训练3-1】（三明模拟）已知空间四边形ABCD中，，，求证：．【变式训练3-2】（镇海区校级模拟）如图，在四棱锥中，底面ABCD是矩形且，，底面ABCD，E是AD的中点，F在PC上．F在何处时，平面PBC？【变式训练3-3】（未央区校级月考）在四面体ABCD中，平面BCD，，，，E，F分别是AC，AD的中点，求证：平面平面ABC．知识点4 用空间向量研究空间中的距离问题【例4-1】（海淀区校级期末）如图，已知正方形ABCD的边长为1，平面ABCD，且，E，F分别为AB，BC的中点．求点D到平面PEF的距离；求直线AC到平面PEF的距离．（房山区期末）如图，在四棱锥中，平面ABCD，，【变式训练4-1】，，．求点D到平面PBC的距离；求点A到平面PBC的距离．知识点5 用空间向量研究空间中的夹角问题【例5-1】（宝山区校级期末）如图，ABCD为矩形，AB＝2，AD＝4，P A⊥面ABCD，P A＝3，求异面直线PB与AC所成角的余弦值．【例5-2】（常州期末）已知在正三棱柱ABC－A1B1C1中，侧棱长与底面边长相等，求AB1与侧面ACC1A1所成角的正弦值．【例5-3】（漳州三模）已知，P A⊥平面ABC，AC⊥BC，P A＝AC＝1，BC＝ 2.求二面角A－PB－C的余弦值．【变式训练5-1】（沭阳县期中）如图，在正四棱柱中，，，点M是BC 的中点．求异面直线与DM所成角的余弦值求直线与平面所成角的正弦值求平面与平面ABCD所成角的正弦值．A组-[应知应会]1.（杨浦区校级期中）若直线l的方向向量为0，，平面的法向量为0，，则A. B. C. D. l与斜交2. （安徽模拟）已知，，，则向量与向量的夹角为A. B. C. D.3. （闵行区校级模拟）已知四边形ABCD是直角梯形，，平面ABCD，，则SC与平面ABCD所成的角的余弦值为A. B. C. D.4. （贵阳模拟）在正方体中，棱长为a，M，N分别为和AC上的点，，则MN与平面的位置关系是A. 垂直B. 相交C. 平行D. 不能确定5.（温州期末）如图，在长方体中，，E为CD的中点，点P在棱上，且平面，则AP的长为A.B.C. 1D. 与AB的长有关6.（鼓楼区校级模拟）二面角的棱上有A，B两点，直线AC，BD分别在这个二面角的两个半平面内，且都垂直于AB，已知，，，，则该二面角的大小为A. B. C. D.7.（和平区校级二模）如图所示，在正方体中，点P是棱AB上的动点点可以运动到端点A和B，设在运动过程中，平面与平面所成的最小角为，则A.B.C.D.8. （多选）（东阳市模拟）已知点P是平行四边形ABCD所在的平面外一点，如果，2，，2，，下列结论正确的有A. B.C. 是平面ABCD的一个法向量D.9.（江苏模拟）已知，，若，，且平面ABC，则y，等于________．10.（南通模拟）已知正三棱柱的各条棱长都相等，M是侧棱的中点，则向量与所成角的大小是．11.（清江浦区校级模拟）在四棱锥中，底面ABCD，底面ABCD是正方形，且，G为的重心，则PG与底面ABCD所成角的正弦值为．12.（沭阳县期中）在四棱锥中，底面ABCD为矩形，侧棱底面ABCD，，E为PD的中点，点N在面PAC内，且平面PAC，则点N到AB的距离为__________13.（滨海新区模拟）如图，在四棱锥中，底面ABCD为平行四边形，，，底面ABCD，，则二面角的余弦值为________．14.（浦东新区校级月考）如图，在正方体中，E为的中点，求异面直线CE 与BD所成的角．15.（江宁区校级月考）如图，四边形ABCD是正方形，平面ABCD，，，，F为PD的中点．求证：；求证：平面PEC．16.（临泉县校级月考）正方体中，E，F分别是，CD的中点．求证：平面平面；在AE上求一点M，使得平面DAE．17. （兴宁区校级期末）如图，在四棱锥中，底面ABCD为直角梯形，，且，平面ABCD．求直线PB与平面PCD所成角的正弦值；在棱PD上是否存在一点E使得？若存在，求AE的长；若不存在，请说明理由．18. （沙坪坝区校级期末）如图，正三棱柱的底面边长是2，侧棱长是，D是AC的中点．求二面角的大小．在线段上是否存在一点E，使得平面平面若存在，求出AE的长若不存在，说明理由．1.（齐齐哈尔期末）如图，在圆锥SO中，A，B是上的动点，是的直径，M，N是SB的两个三等分点，，记二面角，的平面角分别为，，若，则的最大值是A. B. C. D.2.（如皋市期末）如图，在长方体中，E是的中点，点F是AD上一点，，，，动点P在上底面上，且满足三棱锥的体积等于1，则直线CP与所成角的正切值的最小值为________．。

空间向量的垂直与平行空间向量是三维空间中的矢量，具有方向和大小。

在进行向量运算时，了解向量之间的垂直与平行关系至关重要。

本文将探讨空间向量的垂直与平行性质，以及它们在几何和物理等领域的应用。

1. 垂直向量两个向量的垂直关系可以通过它们的点积（内积）来判断。

设有向量A和向量B，若它们的点积等于零，则A与B垂直。

点积的计算公式为：A·B = |A| × |B| × cosθ其中，A·B表示向量A与向量B的点积，|A|和|B|分别表示向量A 和向量B的模长，θ表示向量A与向量B之间的夹角。

如果A·B = 0，则cosθ = 0，即θ = 90°，这说明向量A与向量B相互垂直。

利用向量的垂直关系，我们可以解决诸如平面交线、直线垂直性等几何问题。

在物理学中，垂直向量的概念也被广泛应用于力的分解和求和等问题。

2. 平行向量两个向量的平行关系可以通过它们的叉积（外积）来判断。

设有向量A和向量B，若它们的叉积等于零，则A与B平行。

叉积的计算公式为：|A × B| = |A| × |B| × sinθ其中，A × B表示向量A与向量B的叉积，|A × B|表示向量A与向量B叉积结果的模长，|A|和|B|分别表示向量A和向量B的模长，θ表示向量A与向量B之间的夹角。

如果A × B = 0，则sinθ = 0，即θ = 0°或θ = 180°，这说明向量A与向量B相互平行。

平行向量常常涉及到直线的平行性和共面性的问题。

在物理学上，平行向量用于计算力的合成以及判断物体的平衡状态等应用。

3. 垂直向量和平行向量的应用垂直向量和平行向量在几何和物理学中有广泛的应用。

以下是它们的一些具体应用：3.1 几何应用- 判断直线的垂直性或平行性，用于解决平面几何中的交线问题。

- 通过垂直向量和平行向量的性质，求解平面的法线向量和方向向量。

图形语言
符号语言
PO ⊥ , A , a
PO = , a ⊥
OOA
a
⊥
PA
PO ⊥ , A , a
PO, a =⊥OPA
a
⊥
OA
2
3
m = n m ∥ n 直线 m ⊥平面
（1） 直线 m 方向向量 m ； m • AB =0 m ⊥AB
（2） 平面内两相交直线
的方向向量 AB , CD
m • CD =0 m ⊥CD m ⊥
AB,CD 且AB CD=P
（1） 平面的法向量 m （2） 平 面 的法向量 n
m•n=0 m⊥n
直线 m ∥平面
（1） 平面的法向量 m （2） 平 面 的法向量 n
m = n m ∥ n 平面∥平面
线线 垂直
垂 直 线面 的 垂直 证 明
面面 垂直
（1） 直线 m 方向向量 m ； （2） 直线 n 方向向量 n
m•n=0m⊥nm⊥ n
（1） 直线 m 方向向量 m ；
（2） 平面的法向量 n
条直线垂直于这个平面。
平面互相垂直。
个平面内的任意一条直线。
判 图形 定 语言 定 符号 理 语言
文字语言
a a
c
⊥
ab,=,cbP⊥b
c
⊥
三垂线定理
a a
⊥
⊥
b a ⊥ a ⊥ b
三垂线逆定理
在平面内的一条直线，如果它和这个平面内的一条 在平面内的一条直线，如果它和这个平面内的 一条斜线 斜线的射影垂直，那么它也和这条斜线垂直。 垂直，那么它也和这条斜线在平面内的 射影垂直。
有 两 条 相 交 直 线 分 别 条相交直线分别平行于另外

工具
第三章 空间向量与立体几何
栏目导引
令z＝1，得n＝(－ 3，0,1)为平面A1AD的一个法向量.6分 → → 又因为AB1＝(1,2，－ 3)，BD＝(－2,1,0)， → BA1＝(－1,2， 3)， → BD → → BA → 所以AB1· ＝－2＋2＋0＝0，AB1· 1＝－1＋4－3＝0， → → → → 所以AB1⊥BD，AB1⊥BA1， 所以AB1⊥平面A1BD， → 所以AB1是平面A1BD的一个法向量，8分
1 (2)D1A1=(1,0,0),D1F=(0, 2 ,-1),
{
设平面A1D1F的法向量为n=(x,y,z),则 n· 1A1=0 D n· 1F=0 D
{
x=0
1 y-z=0. 2
令y=2，则n=(0,2,1). ∵m· n=(0,-1,2)· (0,2,1)=0-2+2=0, ∴m⊥n. ∴平面ADE⊥平面A1D1F.
练习：如图，在四棱锥P—ABCD中， PA⊥平面ABCD，底面ABCD为矩形，且 PA=AD，E,F分别为线段AB,PD的中点.
求证：(1) AF∥平面PEC;
(2) AF⊥平面PCD.
练习：如图，在四棱锥P—ABCD中， PA⊥平面ABCD，底面ABCD为矩形，且 PA=AD，E,F分别为线段AB,PD的中点.
l 推理模式 : l
(线面垂直 面面垂直）
平面的法向量：如果表示向量 n 的有向线段所在 直线垂直于平面 ，则称这个向量垂直于平 面 ,记作 n ⊥ ，如果 n⊥ ，那 么 向 量 n
叫做平面 的法向量. l
1、法向量
n
A
几点注意： 1.法向量一定是非零向量; 2.一个平面的所有法向量都 互相平行; 3.向量n 是平面的法向量，向 量m 是与平面平行或在平面 内，则有 n m 0

一：合理选择坐标系并写出所有点的坐标 1、（2013浙江理）如图，在四面体A−BCD 中，AD ⊥平面BCD ，BC ⊥CD ，AD=2，BD=22．M 是AD 的中点，P 是BM 的中点，点Q 在线段AC 上，且AQ=3QC ．问：我在建系过程中，是如何选择坐标系的，先建立的是 轴然后如何选择另外的坐标轴的 2、（2012浙江理）如图，在四棱锥ABCD P -中，底面是 边长为32的菱形，︒=∠120BAD ，且⊥PA 平面ABCD ，26PA =，M ，N 分别为PB ，PD 的中点．问：我在建系过程中，是如何选择坐标系的，先建立的是 轴然后如何选择另外的坐标轴的 3、（2011浙江理）如图，在三棱锥P-ABC 中，AB ＝AC ，D 为BC 的中点，PO ⊥平面ABC ，垂足O 落在线段AD 上，已知BC ＝8，PO ＝4，AO ＝3，OD ＝2 问：我在建系过程中，是如何选择坐标系的，先建立的是 轴然后如何选择另外的坐标轴的 4、（2010浙江理）如图， 在矩形ABCD 中，点E,F 分别在线段AB,AD 上，432====FD AF EB AE .沿直线EF将AEF ∆ 翻折成EF A '∆，使平面EF A '⊥面BEF. 问：我在建系过程中，是如何选择坐标系的，先建立的是 轴然后如何选择另外的坐标轴的ABCDPQM（第1题图）-中，平面ABC⊥平面5、（2014浙江理）如图，在四棱锥A BCDEAC=.==,1AB CDCDE BEDBCDE,90∠=∠=︒，2DE BE==,2二：用向量法证明平行与垂直(1)第1题中证明：PQ∥平面BCD.自我体验：第2题中证明：MN∥平面ABCD；(2)第3题中证明：AP⊥BC；(3)第5题中证明：DE⊥平面ACD；A1 DCB AB1D1C1OE练习1：正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2，且AC 与BD 交于点O ，E 为棱DD1的中点。

1
一是切莫混淆向量平行与 向量垂直的坐标表示，二 是理解直线平行与直线方 向向量平行的差异，如 (2)．否则易造成解题不 严谨．
2
利用向量知识证明空间位置关系， 要注意立体几何中相关定理的活 用，如证明直线a∥b，可证向量 a＝λb，若用直线方向向量与平 面法向量垂直判定线面平行，必 需强调直线在平面外等.
→ → → (1)证明 以 A 为原点，AB，AD，AA1的方向分别为 x 轴，y 轴，z 轴的 正方向建立空间直角坐标系(如图)． a 设 AB＝a，则 A(0,0,0)，D(0,1,0)，D1(0,1,1)，E2，1，0，B1(a,0,1)． a z → → 故AD1＝(0,1,1)，B1E＝－2，1，－1， → → a AB1＝(a,0,1)，AE＝ 2，1，0. a → → ∵AD1· B1E＝－ ×0＋1×1＋(－1)×1＝0， 2 y ∴B1E⊥AD1.
利用空间向量证明平行问题
【训练 1】 (2013· 浙江卷选编)如图，在四面体 A-BCD 中，AD⊥平面 BCD， BC⊥CD，AD＝2，BD＝2 2，M 是 AD 的中点，P 是 BM 的中点，点 Q 在 线段 AC 上，且 AQ＝3QD． 证明：PQ∥平面 BCD．
证明 如图所示，取 BD 的中点 O，以 O 为原点，OD，OP 所在 射线为 y，z 轴的正半轴，建立空间直角坐标系 O-xyz. 由题意知 A(0， 2，2)，B(0，－ 2，0)，D(0， 2，0)． 设点 C 的坐标为(x0，y0,0)， 2 3 1 → → 3 因为AQ＝3QC，所以 Q x0， ＋ y0， . 4 4 2 4 因为点 M 为 AD 的中点，故 M(0， 2，1)． 1 2 3 → 3 又点 P 为 BM 的中点，故 P0，0，2，所以PQ＝ x0， ＋ y0，0. 4 4 4 → 又平面 BCD 的一个法向量为 a＝(0,0,1)，故PQ· a＝0. 又 PQ⊄平面 BCD，所以 PQ∥平面 BCD．

,
解
得
x 2a 3
y 2 a, 3
za
N
(
2a 3
,
2a 3
,
a)
B
C
z
同理：M(a, 2a , a ) 33
MN ( a ,0, 2a ) 33
(1)ED ( a ,0, a) 2
C1
x B1
MN 2 ED MN // ED，即MN // ED 3
D N
A
M
D1
Ey
A1
(2)设面BB1C1C的一个法向量为n
A
D1
E
C1
N
B1 F
D
C
B
练2习：
C'
B'
在三棱柱ABC A' B 'C '中，
A'
底面是正三角形，AA' 底面ABC，
A'C AB ',求证：BC ' AB '
C
B
A
练2习：
C'
B'
在三棱柱ABC A' B 'C '中，
A'
底面是正三角形，AA' 底面ABC，
A'C AB ',求证：BC ' AB '
设底面边长为2,高为h,
如图建立空间直角坐标系. C
B
A( 3,0,0), B(0,1,0),C(0,1,0).
A
uAuu'ur( 3,0, h), B'(0uu,1uu,rh),C'(0,1, h). uuuur
AB ' ( 3,1, h), A'C ( 3, 1, h), BC ' (0, 2, h)

第七节立体几何中的向量方法[考纲传真](教师用书独具)1.理解直线的方向向量与平面的法向量.2.能用向量语言表述线线、线面、面面的平行和垂直关系.3.能用向量方法证明有关直线和平面位置关系的一些简单定理(包括三垂线定理).4.能用向量方法解决直线与直线、直线与平面、平面与平面的夹角的计算问题，了解向量方法在研究立体几何问题中的应用．(第120页)[基础知识填充]1．直线的方向向量与平面的法向量(1)直线的方向向量：如果表示非零向量a的有向线段所在直线与直线l平行或重合，则称此向量a为直线l的方向向量．(2)平面的法向量：直线l⊥α，取直线l的方向向量a，则向量a叫做平面α的法向量．2．空间位置关系的向量表示直线l1，l2的方向向量分别为n1，n2l1∥l2n1∥n2⇔n1＝λn2 l1⊥l2n1⊥n2⇔n1·n2＝0直线l的方向向量为n，平面α的法向量为m l∥αn⊥m⇔n·m＝0 l⊥αn∥m⇔n＝λm平面α，β的法向量分别为n，m α∥βn∥m⇔n＝λm α⊥βn⊥m⇔n·m＝03.设a，b分别是两异面直线l1，l2的方向向量，则l1与l2所成的角θa与b的夹角〈a，b〉范围0<θ≤π20＜〈a，b〉＜π关系cos θ＝|cos 〈a ，b 〉|＝|a ·b ||a ||b | cos 〈a ，b 〉＝a ·b|a ||b |4.直线与平面所成的角设直线l 的方向向量为a ，平面α的法向量为n ，直线l 与平面α所成的角为θ，则sin θ＝|cos 〈a ，n 〉|＝|a ·n ||a ||n |.5．二面角(1)如图7-7-1①，AB ，CD 是二面角α-l -β的两个面内与棱l 垂直的直线，则二面角的大小θ＝〈AB →，CD →〉．图7-7-1(2)如图7-7-1②③，n 1，n 2分别是二面角α-l -β的两个半平面α，β的法向量，则二面角的大小θ满足|cos θ|＝|cos 〈n 1，n 2〉|，二面角的平面角大小是向量n 1与n 2的夹角(或其补角)．[基本能力自测]1．(思考辨析)判断下列结论的正误．(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)若两直线的方向向量不平行，则两直线不平行．( ) (2)若两平面的法向量平行，则两平面平行或重合．( ) (3)两直线的方向向量所成的角就是两条直线所成的角．( )(4)直线的方向向量和平面的法向量所成的角就是直线与平面所成的角．( )(5)两个平面的法向量所成的角是这两个平面所成的角．( )(6)两异面直线夹角的范围是⎝ ⎛⎦⎥⎤0，π2，直线与平面所成角的范围是⎣⎢⎡⎦⎥⎤0，π2，二面角的范围是[0，π]．( )[答案] (1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√2．(教材改编)设u ＝(－2,2，t )，v ＝(6，－4,4)分别是平面α，β的法向量．若α⊥β，则t ＝( )A ．3B ．4C ．5D ．6 C [∵α⊥β，则u ·v ＝－2×6＋2×(－4)＋4t ＝0， ∴t ＝5.]3．已知A (1,0,0)，B (0,1,0)，C (0,0,1)，则下列向量是平面ABC 法向量的是( ) A ．(－1,1,1)B ．(1，－1,1)C ．⎝ ⎛⎭⎪⎫－33，－33，－33D ．⎝ ⎛⎭⎪⎫33，33，－33C [设n ＝(x ，y ，z )为平面ABC 的法向量， 则⎩⎨⎧n ·AB →＝0，n ·AC →＝0，化简得⎩⎪⎨⎪⎧－x ＋y ＝0，－x ＋z ＝0，∴x ＝y ＝z .故选C ．]4．直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中，∠BCA ＝90°，M ，N 分别是A 1B 1，A 1C 1的中点，BC ＝CA ＝CC 1，则BM 与AN 所成角的余弦值为( )A ．110B ．25C ．3010D ．22C [建立如图所示的空间直角坐标系C -xyz ，设BC ＝2，则B (0,2,0)，A (2,0,0)，M (1,1,2)，N (1,0,2)，所以BM →＝(1，－1,2)，AN →＝(－1,0,2)，故BM 与AN 所成角θ的余弦值cos θ＝|BM →·AN →||BM →|·|AN →|＝36×5＝3010.]5．过正方形ABCD 的顶点A 作线段P A ⊥平面ABCD ，若AB ＝P A ，则平面ABP 与平面CDP 所成的二面角为________．45° [如图，建立空间直角坐标系，设AB ＝P A ＝1，则A (0,0,0)，D (0,1,0)，P (0,0,1)，由题意，AD ⊥平面P AB ，设E 为PD 的中点，连接AE ，则AE ⊥PD ，又CD ⊥平面P AD ，∴CD ⊥AE ，从而AE ⊥平面PCD ．∴AD →＝(0,1,0)，AE →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫0，12，12分别是平面P AB ，平面PCD 的法向量，且〈AD →，AE →〉＝45°.故平面P AB 与平面PCD 所成的二面角为45°.]第1课时 利用空间向量证明平行与垂直(第121页)利用空间向量证明平行问题(2017·天津高考节选)如图7-7-2，在三棱锥P -ABC 中，P A ⊥底面ABC ，∠BAC ＝90°.点D ，E ，N 分别为棱P A ，PC ，BC 的中点，M 是线段AD 的中点，P A ＝AC ＝4，AB ＝2.图7-7-2求证：MN ∥平面BDE .[解] 如图，以A 为原点，分别以AB →，AC →，AP →的方向为x 轴、y 轴、z 轴的正方向建立空间直角坐标系，依题意可得A (0,0,0)，B (2,0,0)，C (0,4,0)，P (0,0,4)，D (0,0,2)，E (0,2,2)，M (0,0,1)，N (1,2,0)．证明：DE →＝(0,2,0)，DB →＝(2,0，－2)． 设n ＝(x ，y ，z )为平面BDE 的一个法向量， 则⎩⎪⎨⎪⎧n ·DE →＝0，n ·DB →＝0，即⎩⎨⎧2y ＝0，2x －2z ＝0.不妨设z ＝1，可得n ＝(1,0,1)． 又MN →＝(1,2，－1)， 可得MN →·n ＝0.因为MN ⊄平面BDE ，所以MN ∥平面BDE .[规律方法] (1)恰当建立空间直角坐标系，准确表示各点与相关向量的坐标，是运用向量法证明平行和垂直的关键.(2)证明直线与平面平行，只需证明直线的方向向量与平面的法向量的数量积为零，或证直线的方向向量与平面内的不共线的两个向量共面，或证直线的方向向量与平面内某直线的方向向量平行，然后说明直线在平面外即可.这样就把几何的证明问题转化为向量运算.[跟踪训练] 如图7-7-3所示，平面P AD ⊥平面ABCD ，ABCD 为正方形，△P AD 是直角三角形，且P A ＝AD ＝2，E ，F ，G 分别是线段P A ，PD ，CD 的中点．求证：PB ∥平面EFG .图7-7-3[证明] ∵平面P AD ⊥平面ABCD ，ABCD 为正方形，△P AD 是直角三角形，且P A ＝AD ，∴AB ，AP ，AD 两两垂直，以A 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系A -xyz ，则A (0,0,0)，B (2,0,0)，C (2,2,0)，D (0,2,0)，P (0,0,2)，E (0,0,1)，F (0,1,1)，G (1,2,0)．∴PB →＝(2,0，－2)，FE →＝(0，－1,0)，FG →＝(1,1，－1)， 设PB →＝sFE →＋tFG →，即(2,0，－2)＝s (0，－1,0)＋t (1,1，－1)， ∴⎩⎪⎨⎪⎧t ＝2，t －s ＝0，－t ＝－2，解得s ＝t ＝2，∴PB →＝2FE →＋2FG →， 又∵FE →与FG →不共线， ∴PB →，FE →与FG →共面．∵PB ⊄平面EFG ，∴PB ∥平面EFG .利用空间向量证明垂直问题(2017·开封模拟)如图，已知AB ⊥平面ACD ，DE ⊥平面ACD ，△ACD为等边三角形，AD ＝DE ＝2AB ．图7-7-4求证：平面BCE ⊥平面CDE . 【导学号：97190251】[证明] 设AD ＝DE ＝2AB ＝2a ，建立如图所示的空间直角坐标系Axyz ，则A (0,0,0)，C (2a,0,0)，B (0,0，a )，D (a ，3a,0)，E (a ，3a,2a )．所以BE →＝(a ，3a ，a )，BC →＝(2a,0，－a )，CD →＝(－a ，3a,0)，ED →＝(0,0，－2a )．设平面BCE 的法向量为n 1＝(x 1，y 1，z 1)， 由n 1·BE →＝0，n 1·BC →＝0可得 ⎩⎪⎨⎪⎧ax 1＋3ay 1＋az 1＝0，2ax 1－az 1＝0， 即⎩⎪⎨⎪⎧x 1＋3y 1＋z 1＝0，2x 1－z 1＝0.令z 1＝2，可得n 1＝(1，－3，2)．设平面CDE 的法向量为n 2＝(x 2，y 2，z 2)， 由n 2·CD →＝0，n 2·ED →＝0可得 ⎩⎪⎨⎪⎧ －ax 2＋3ay 2＝0，－2az 2＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧－x 2＋3y 2＝0，z 2＝0.令y 2＝1，可得n 2＝(3，1,0)． 因为n 1·n 2＝1×3＋1×(－3)＝0. 所以n 1⊥n 2，所以平面BCE ⊥平面CDE .若本例中条件不变，点F 是CE 的中点，证明DF ⊥平面BCE .[证明] 由例2知C (2a,0,0)，E (a ，3a,2a )，平面BCE 的法向量n 1＝(1，－3，2)．∵点F 是CE 的中点，∴F ⎝ ⎛⎭⎪⎫3a 2，3a 2，a ， ∴DF →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫a2，－3a 2，a ∴DF →＝a 2n 1，∴DF →∥n 1， 故DF ⊥平面BCE .[规律方法] 1.利用已知的线面垂直关系构建空间直角坐标系，准确写出相关点的坐标，从而将几何证明转化为向量运算.其中灵活建系是解题的关键. 2.用向量证明垂直的方法(1)线线垂直：证明两直线所在的方向向量互相垂直，即证它们的数量积为零.(2)线面垂直：证明直线的方向向量与平面的法向量共线，或将线面垂直的判定定理用向量表示.(3)面面垂直：证明两个平面的法向量垂直，或将面面垂直的判定定理用向量表示.[跟踪训练] 如图7-7-5所示，已知四棱锥P -ABCD 的底面是直角梯形，∠ABC ＝∠BCD ＝90°，AB ＝BC ＝PB ＝PC ＝2CD ，侧面PBC ⊥底面ABCD ．图7-7-5证明：(1)P A ⊥BD ； (2)平面P AD ⊥平面P AB ．[证明] (1)取BC 的中点O ，连接PO ，∵平面PBC ⊥底面ABCD ，△PBC 为等边三角形， ∴PO ⊥底面ABCD ．以BC 的中点O 为坐标原点，以BC 所在直线为x 轴，过点O 与AB 平行的直线为y 轴，OP 所在直线为z 轴，建立空间直角坐标系，如图所示．不妨设CD ＝1，则AB ＝BC ＝2，PO ＝ 3.∴A (1，－2,0)，B (1,0,0)，D (－1，－1,0)，P (0,0，3)． ∴BD →＝(－2，－1,0)，P A →＝(1，－2，－3)． ∵BD →·P A →＝(－2)×1＋(－1)×(－2)＋0×(－3)＝0，∴P A →⊥BD →， ∴P A ⊥BD ．(2)取P A 的中点M ，连接DM ，则M ⎝ ⎛⎭⎪⎫12，－1，32.∵DM →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫32，0，32，PB →＝(1,0，－3)，∴DM →·PB →＝32×1＋0×0＋32×(－3)＝0， ∴DM →⊥PB →，即DM ⊥PB ．∵DM →·P A →＝32×1＋0×(－2)＋32×(－3)＝0， ∴DM →⊥P A →，即DM ⊥P A ． 又∵P A ∩PB ＝P ，∴DM ⊥平面P AB ．∵DM ⊂平面P AD ， ∴平面P AD ⊥平面P AB ．利用空间向量解决探索性问题(2018·北京东城区综合练习(二))如图7-7-6，在几何体ABCDEF 中，平面ADE ⊥平面ABCD ，四边形ABCD 为菱形，且∠DAB ＝60°，EA ＝ED ＝AB ＝2EF ，EF ∥AB ，M 为BC 的中点．图7-7-6(1)求证：FM ∥平面BDE ；(2)求直线CF 与平面BDE 所成角的正弦值；(3)在棱CF上是否存在点G，使BG⊥DE？若存在，求CGCF的值；若不存在，请说明理由．[解](1)证明：取CD的中点N，连接MN，FN.因为N，M分别为CD，BC的中点，所以MN∥BD．又BD⊂平面BDE且MN⊄平面BDE，所以MN∥平面BDE.因为EF∥AB，AB＝2EF，所以EF∥CD，EF＝DN.所以四边形EFND为平行四边形，所以FN∥ED．又ED⊂平面BDE且FN⊄平面BDE，所以FN∥平面BDE.又FN∩MN＝N，所以平面MFN∥平面BDE.又FM⊂平面MFN，所以FM∥平面BDE.(2)取AD的中点O，连接EO，BO.因为EA＝ED，所以EO⊥AD．因为平面ADE⊥平面ABCD，所以EO ⊥平面ABCD ，EO ⊥BO . 因为AD ＝AB ，∠DAB ＝60°， 所以△ADB 为等边三角形．因为O 为AD 的中点，所以AD ⊥BO .因为EO ，BO ，AO 两两垂直，设AB ＝4，以O 为原点，OA ，OB ，OE 为x 轴、y 轴、z 轴，如图建立空间直角坐标系O -xyz .由题意，得A (2,0,0)，B (0,23，0)，C (－4,23，0)，D (－2,0,0)，E (0,0,23)，F (－1，3，23)．CF →＝(3，－3，23)，DE →＝(2,0,23)， BE →＝(0，－23，23)．设平面BDE 的法向量为n ＝(x ，y ，z )． 则⎩⎨⎧n ·BE →＝0，n ·DE →＝0，即⎩⎪⎨⎪⎧y －z ＝0，x ＋3z ＝0.令z ＝1，则y ＝1，x ＝－ 3. 所以n ＝(－3，1,1)．设直线CF 与平面BDE 所成角为α， sin α＝|cos 〈CF →，n 〉|＝|CF →·n ||CF →||n |＝1010.所以直线CF 与平面BDE 所成角的正弦值为1010. (3)设G 是CF 上一点，且CG →＝λCF →，λ∈[0,1]． 因此点G (3λ－4，－3λ＋23，23λ)． BG →＝(3λ－4，－3λ，23λ)． 由BG →·DE →＝0，解得λ＝49.所以在棱CF 上存在点G 使得BG ⊥DE ，此时CG CF ＝49. [规律方法] 利用空间向量解决探索性问题的方法(1)根据题目的已知条件进行综合分析和观察猜想，找出点或线的位置，并用向量表示出来，然后再加以证明，得出结论.(2)假设所求的点或参数存在，并用相关参数表示相关点，根据线、面满足的垂直、平行关系，构建方程(组)求解，若能求出参数的值且符合该限定的范围，则存在，否则不存在.[跟踪训练] 如图7-7-7，在长方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中，AA 1＝AD ＝1，E 为CD 中点．图7-7-7(1)求证：B 1E ⊥AD 1；(2)在棱AA 1上是否存在一点P ，使得DP ∥平面B 1AE ？若存在，求AP 的长；若不存在，说明理由. 【导学号：97190252】[解] 以A 为原点，AB →，AD →，AA 1→的方向分别为x 轴，y 轴，z 轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系．设AB ＝a .(1)证明：A (0,0,0)，D (0,1,0)，D 1(0,1,1)，E ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2，1，0，B 1(a,0,1)，故AD 1→＝(0,1,1)，B 1E →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－a 2，1，－1.因为B 1E →·AD 1→＝－a2×0＋1×1＋(－1)×1＝0， 因此B 1E →⊥AD 1→， 所以B 1E ⊥AD 1.(2)存在满足要求的点P ，假设在棱AA 1上存在一点P (0,0，z 0)，使得DP ∥平面B 1AE ，此时DP →＝(0，－1，z 0)， 再设平面B 1AE 的一个法向量为n ＝(x ，y ，z )． AB 1→＝(a,0,1)，AE →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2，1，0.因为n ⊥平面B 1AE ，所以n ⊥AB 1→，n ⊥AE →，得⎩⎨⎧ax ＋z ＝0，ax2＋y ＝0，取x ＝1，则y ＝－a2，z ＝－a ，则平面B 1AE 的一个法向量n ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫1，－a 2，－a .要使DP ∥平面B 1AE ，只要n ⊥DP →，有a 2－az 0＝0，解得z 0＝12. 所以存在点P ，满足DP∥平面B1AE，此时AP＝1 2.。

第7讲 立体几何中的向量方法(一)——证明平行与垂直[最新考纲]1．理解直线的方向向量及平面的法向量．2．能用向量语言表述线线、线面、面面的平行和垂直关系． 3．能用向量方法证明立体几何中有关线面位置关系的一些简单定理.知 识 梳 理1．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．(2)平面的法向量可利用方程组求出：设a ，b 是平面α内两不共线向量，n 为平面α的法向量，则求法向量的方程组为⎩⎨⎧n·a ＝0，n·b ＝0.2．空间位置关系的向量表示辨 析 感 悟1．平行关系(1)直线的方向向量是唯一确定的．(×)(2)两不重合直线l 1和l 2的方向向量分别为v 1＝(1,0，－1)，v 2＝(－2,0,2)，则l 1与l 2的位置关系是平行．(√) 2．垂直关系(3)已知AB →＝(2,2,1)，AC →＝(4,5,3)，则平面ABC 的单位法向量是n 0＝±⎝ ⎛⎭⎪⎫13，－23，23.(√) (4)(2014·青岛质检改编)如图所示，在正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，O 是底面正方形ABCD 的中心，M 是D 1D 的中点，N 是A 1B 1的中点，则直线NO ，AM 的位置关系是异面垂直．(√)[感悟·提升]1．一是切莫混淆向量平行与向量垂直的坐标表示，二是理解直线平行与直线方向向量平行的差异，如(2)．否则易造成解题不严谨．2．利用向量知识证明空间位置关系，要注意立体几何中相关定理的活用，如证明直线a ∥b ，可证向量a ＝λb ，若用直线方向向量与平面法向量垂直判定线面平行，必需强调直线在平面外等.学生用书第125页考点一 利用空间向量证明平行问题【例1】 如图所示，在正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，M ，N 分别是C 1C ，B 1C 1的中点．求证：MN ∥平面A 1BD .审题路线 若用向量证明线面平行，可转化为判定向量MN →∥DA 1→，或证明MN →与平面A 1BD 的法向量垂直．证明 法一 如图所示，以D 为原点，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，设正方体的棱长为1，则可求得M ⎝ ⎛⎭⎪⎫0，1，12，N ⎝ ⎛⎭⎪⎫12，1，1，D (0,0,0)，A 1(1,0,1)，B (1,1,0)．于是MN →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫12，0，12，DA 1→＝(1,0,1)，DB →＝(1,1,0)．设平面A 1BD 的法向量是n ＝(x ，y ，z )． 则n ·DA 1→＝0，且n ·DB →＝0，得⎩⎨⎧x ＋z ＝0，x ＋y ＝0.取x ＝1，得y ＝－1，z ＝－1. ∴n ＝(1，－1，－1)．又MN →·n ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫12，0，12·(1，－1，－1)＝0，∴MN →⊥n ， 又MN ⊄平面A 1BD ， ∴MN ∥平面A 1BD .法二 MN →＝C 1N →－C 1M →＝12C 1B 1→－12C 1C →＝12(D 1A 1→－D 1D →)＝12DA 1→.∴MN →∥DA 1→， 又∵MN 与DA 1不共线， ∴MN ∥DA 1，又∵MN ⊄平面A 1BD ，A 1D ⊂平面A 1BD ， ∴MN ∥平面A 1BD .规律方法 (1)恰当建立坐标系，准确表示各点与相关向量的坐标，是运用向量法证明平行和垂直的关键．(2)证明直线与平面平行，只须证明直线的方向向量与平面的法向量的数量积为零，或证直线的方向向量与平面内的不共线的两个向量共面，或证直线的方向向量与平面内某直线的方向向量平行，然后说明直线在平面外即可．这样就把几何的证明问题转化为向量运算．【训练1】 (2013·浙江卷选编)如图，在四面体A －BCD 中，AD ⊥平面BCD ，BC ⊥CD ，AD ＝2，BD ＝22，M 是AD 的中点，P 是BM 的中点，点Q 在线段AC 上，且AQ ＝3QC . 证明：PQ ∥平面BCD .证明 如图所示，取BD 的中点O ，以O 为原点，OD ，OP 所在射线为y ，z 轴的正半轴，建立空间直角坐标系O －xyz .由题意知A (0，2，2)，B (0，－2，0)，D (0，2，0)． 设点C 的坐标为(x 0，y 0,0)， 因为AQ →＝3QC →，所以Q ⎝ ⎛⎭⎪⎫34x 0，24＋34y 0，12.因为点M 为AD 的中点，故M (0，2，1)． 又点P 为BM 的中点，故P ⎝ ⎛⎭⎪⎫0，0，12，所以PQ →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫34x 0，24＋34y 0，0.又平面BCD 的一个法向量为a ＝(0,0,1)，故PQ →·a ＝0. 又PQ ⊄平面BCD ，所以PQ ∥平面BCD .考点二 利用空间向量证明垂直问题【例2】 (2014·济南质检)如图，在三棱锥P －ABC 中，AB ＝AC ，D 为BC 的中点，PO ⊥平面ABC ，垂足O 落在线段AD 上．已知BC ＝8，PO ＝4，AO ＝3，OD ＝2.(1)证明：AP ⊥BC ；(2)若点M 是线段AP 上一点，且AM ＝3.试证明平面AMC ⊥平面BMC .证明 (1)如图所示，以O 为坐标原点，以射线OP 为z 轴的正半轴建立空间直角坐标系O －xyz .则O (0,0,0)，A (0，－3,0)， B (4,2,0)，C (－4,2,0)，P (0,0,4)． 于是AP →＝(0,3,4)， BC →＝(－8,0,0)，∴AP →·BC →＝(0,3,4)·(－8,0,0)＝0， 所以AP →⊥BC →，即AP ⊥BC . (2)由(1)知|AP |＝5，又|AM |＝3，且点M 在线段AP 上， ∴AM →＝35AP →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫0，95，125， 又BC →＝(－8,0,0)，AC →＝(－4,5,0)，BA →＝(－4，－5,0)， ∴BM →＝BA →＋AM →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－4，－165，125，则AP →·BM →＝(0,3,4)·⎝ ⎛⎭⎪⎫－4，－165，125＝0， ∴AP →⊥BM →，即AP ⊥BM ， 又根据(1)的结论知AP ⊥BC ，∴AP ⊥平面BMC ，于是AM ⊥平面BMC . 又AM ⊂平面AMC ，故平面AMC ⊥平面BCM .规律方法 (1)利用已知的线面垂直关系构建空间直角坐标系，准确写出相关点的坐标，从而将几何证明转化为向量运算．其中灵活建系是解题的关键． (2)其一证明直线与直线垂直，只需要证明两条直线的方向向量垂直；其二证明面面垂直：①证明两平面的法向量互相垂直；②利用面面垂直的判定定理，只要能证明一个平面内的一条直线的方向向量为另一个平面的法向量即可．【训练2】 如图所示，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，△ABC 为等腰直角三角形，∠BAC ＝90°，且AB ＝AA1，D ，E ，F 分别为B 1A ，C 1C ，BC 的中点．求证： (1)DE ∥平面ABC ； (2)B 1F ⊥平面AEF .证明 如图，建立空间直角坐标系A －xyz ， 令AB ＝AA 1＝4，则A (0,0,0)，E (0,4,2)，F (2,2,0)，B (4,0,0)，B 1(4,0,4)． (1)取AB 中点为N ，则N (2,0,0)， 又C (0,4,0)，D (2,0,2)，∴DE →＝(－2,4,0)，NC →＝(－2,4,0)， ∴DE →＝NC →.∴DE ∥NC ，又NC 在平面ABC 内，故DE ∥平面ABC .(2)B 1F →＝(－2,2，－4)，EF →＝(2，－2，－2)，AF →＝(2,2,0)，B 1F →·EF →＝(－2)×2＋2×(－2)＋(－4)×(－2)＝0， 则B 1F →⊥EF →，∴B 1F ⊥EF ，∵B 1F →·AF →＝(－2)×2＋2×2＋(－4)×0＝0， ∴B 1F →⊥AF →，即B 1F ⊥AF .又∵AF ∩EF ＝F ，∴B 1F ⊥平面AEF .学生用书第126页 考点三 利用空间向量解决探索性问题【例3】 (2014·福州调研)如图，在长方体ABCD －A1B 1C 1D 1中，AA 1＝AD ＝1，E 为CD 的中点． (1)求证：B 1E ⊥AD 1；(2)在棱AA 1上是否存在一点P ，使得DP ∥平面B 1AE ？若存在，求AP 的长；若不存在，说明理由．审题路线 由长方体特征，以A 为坐标原点建立空间坐标系，从而将几何位置关系转化为向量运算．第(1)问证明B 1E →·AD 1→＝0，第(2)问是存在性问题，由DP →与平面B 1AE 的法向量垂直，通过计算作出判定．(1)证明 以A 为原点，AB →，AD →，AA 1→的方向分别为x 轴，y 轴，z 轴的正方向建立空间直角坐标系(如图)．设AB ＝a ，则A (0,0,0)，D (0,1,0)，D 1(0,1,1)，E ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2，1，0，B 1(a,0,1)．故AD 1→＝(0,1,1)，B 1E →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－a 2，1，－1，AB 1→＝(a,0,1)，AE →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2，1，0.∵AD 1→·B 1E →＝－a2×0＋1×1＋(－1)×1＝0， ∴B 1E ⊥AD 1.(2)解 假设在棱AA 1上存在一点P (0,0，z 0)． 使得DP ∥平面B 1AE ，此时DP →＝(0，－1，z 0)． 又设平面B 1AE 的法向量n ＝(x ，y ，z )．∵n ⊥平面B 1AE ，∴n ⊥AB 1→，n ⊥AE →，得⎩⎪⎨⎪⎧ax ＋z ＝0，ax2＋y ＝0.取x ＝1，得平面B 1AE 的一个法向量n ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫1，－a 2，－a要使DP ∥平面B 1AE ，只要n ⊥DP →，有a2－az 0＝0， 解得z 0＝12. 又DP ⊄平面B 1AE ，∴存在点P ，满足DP ∥平面B 1AE ，此时AP ＝12. 规律方法 立体几何开放性问题求解方法有以下两种：(1)根据题目的已知条件进行综合分析和观察猜想，找出点或线的位置，然后再加以证明，得出结论；(2)假设所求的点或线存在，并设定参数表达已知条件，根据题目进行求解，若能求出参数的值且符合已知限定的范围，则存在这样的点或线，否则不存在．本题是设出点P 的坐标，借助向量运算，判定关于z 0的方程是否有解．【训练3】 如图所示，四棱锥S －ABCD 的底面是正方形，每条侧棱的长都是底面边长的2倍，P 为侧棱SD 上的点． (1)求证：AC ⊥SD .(2)若SD ⊥平面P AC ，则侧棱SC 上是否存在一点E ，使得BE ∥平面P AC .若存在，求SE ∶EC 的值；若不存在，试说明理由． (1)证明 连接BD ，设AC 交BD 于O ，则AC ⊥BD . 由题意知SO ⊥平面ABCD .以O 为坐标原点，OB →，OC →，OS →分别为x 轴、y 轴、z 轴正方向，建立空间直角坐标系如图．设底面边长为a ，则高SO ＝62a ， 于是S ⎝⎛⎭⎪⎫0，0，62a ，D ⎝ ⎛⎭⎪⎫－22a ，0，0，B ⎝ ⎛⎭⎪⎫22a ，0，0，C ⎝ ⎛⎭⎪⎫0，22a ，0，于是OC →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫0，22a ，0，SD →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－22a ，0，－62a ，则OC →·SD →＝0.故OC ⊥SD .从而AC ⊥SD . (2)解 棱SC 上存在一点E 使BE ∥平面P AC . 理由如下：由已知条件知DS →是平面P AC 的一个法向量， 且DS →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫22a ，0，62a ，CS →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫0，－22a ，62a ，BC →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－22a ，22a ，0.设CE →＝tCS →，则BE →＝BC →＋CE →＝BC →＋tCS →＝ ⎝ ⎛⎭⎪⎫－22a ，22a (1－t )，62at ，由BE →·DS →＝0⇔t ＝13.∴当SE ∶EC ＝2∶1时，BE →⊥DS →.又BE 不在平面P AC 内，故BE ∥平面P AC .1．用向量法解决立体几何问题，是空间向量的一个具体应用，体现了向量的工具性，这种方法可把复杂的推理证明、辅助线的作法转化为空间向量的运算，降低了空间想象演绎推理的难度，体现了由“形”转“数”的转化思想． 2．两种思路：(1)选好基底，用向量表示出几何量，利用空间向量有关定理与向量的线性运算进行判断．(2)建立空间坐标系，进行向量的坐标运算，根据运算结果的几何意义解释相关问题．3．运用向量知识判定空间位置关系，仍然离不开几何定理．如用直线的方向向量与平面的法向量垂直来证明线面平行，仍需强调直线在平面外．思想方法8——运用空间向量研究空间位置关系中的转化思想【典例】 (2013·陕西卷)如图，四棱柱ABCD －A 1B 1C 1D 1的底面ABCD 是正方形，O 为底面中心，A 1O ⊥平面ABCD ，AB ＝AA 1＝ 2. (1)证明：A 1C ⊥平面BB 1D 1D ；(2)求平面OCB 1与平面BB 1D 1D 的夹角θ的大小．(1)证明 法一 由题设易知OA ，OB ，OA 1两两垂直，以O 为原点建立直角坐标系，如图．∵AB ＝AA 1＝2，∴OA ＝OB ＝OA 1＝1，∴A (1,0,0)，B (0,1,0)，C (－1,0,0)，D (0，－1,0)，A 1(0,0,1)．①由A 1B 1→＝AB →，易得B 1(－1,1,1)．∵A 1C →＝(－1,0，－1)，BD →＝(0，－2,0)，BB 1→＝(－1,0,1)，∴A 1C →·BD →＝0，A 1C →·BB 1→＝0，② ∴A 1C ⊥BD ，A 1C ⊥BB 1，且BB 1∩BD ＝B ，∴A 1C ⊥平面BB 1D 1D .③ 法二 ∵A 1O ⊥平面ABCD ，∴A 1O ⊥BD .又底面ABCD 是正方形，∴BD ⊥AC ，∴BD ⊥平面A 1OC ，∴BD ⊥A 1C .④又OA 1是AC 的中垂线，∴A 1A ＝A 1C ＝2，且AC ＝2，∴AC 2＝AA 21＋A 1C 2，∴△AA 1C 是直角三角形，∴AA 1⊥A 1C .又BB 1∥AA 1，∴A 1C ⊥BB 1，又BB 1∩BD ＝B ，∴A 1C ⊥平面BB 1D 1D . ⑤(2)解 设平面OCB 1的法向量n ＝(x ，y ，z )．∵OC →＝(－1,0,0)，OB 1→＝(－1,1,1)，∴⎩⎪⎨⎪⎧ n ·OC →＝－x ＝0，n ·OB 1→＝－x ＋y ＋z ＝0，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝0，y ＝－z ，取n ＝(0,1，－1)， 由(1)知，A 1C →＝(－1,0，－1)是平面BB 1D 1D 的法向量，∴cos θ＝|cos<n ，A 1C →>|＝12×2＝12. ⑥ 又0≤θ≤π2，∴θ＝π3.[反思感悟] (1)转化化归是求解空间几何的基本思想方法：①中将空间位置、数量关系坐标化．②和③体现了线线垂直与线面垂直的转化，以及将线线垂直转化为向量的数量积为0.在④与⑤中主要实施线面、线线垂直的转化．⑥中把求“平面夹角的余弦值”转化为“两平面法向量夹角的余弦值”．(2)空间向量将“空间位置关系”转化为“向量的运算”．应用的核心是要充分认识形体特征，建立恰当的坐标系，实施几何问题代数化．同时注意两点：一是正确写出点、向量的坐标，准确运算；二是空间位置关系中判定定理与性质定理条件要完备．【自主体验】如图，在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，AC ⊥BC ，D 为AB 的中点，AC ＝BC ＝BB 1.求证：(1)BC 1⊥AB 1；(2)BC 1∥平面CA 1D .证明 如图，以C 1点为原点，C 1A 1，C 1B 1，C 1C 所在直线分别为x 轴、y 轴、z 轴建立空间直角坐标系．设AC ＝BC ＝BB 1＝2，则A (2,0,2)，B (0，2,2)，C (0,0,2)，A 1(2,0,0)，B 1(0,2,0)，C 1(0,0,0)，D (1，1,2)．(1)由于BC 1→＝(0，－2，－2)，AB 1→＝(－2,2，－2)，所以BC 1→·AB 1→＝0－4＋4＝0，因此BC 1→⊥AB 1→，故BC 1⊥AB 1.(2)连接A 1C ，取A 1C 的中点E ，连接DE ，由于E (1,0,1)，所以ED →＝(0,1,1)，又BC 1→＝(0，－2，－2)，所以ED →＝－12BC 1→，又ED 和BC 1不共线，所以ED ∥BC 1，又DE ⊂平面CA 1D ，BC 1⊄平面CA 1D ，故BC 1∥平面CA 1D .对应学生用书P321基础巩固题组(建议用时：40分钟)一、选择题1．已知平面α，β的法向量分别为μ＝(－2,3，－5)，v ＝(3，－1，4)，则( )．A ．α∥βB ．α⊥βC ．α、β相交但不垂直D ．以上都不正确解析 ∵－23≠3－1≠－54，∴μ与v 不是共线向量，又∵μ·v ＝－2×3＋3×(－1)＋(－5)×4＝－29≠0，∴μ与v 不垂直，∴平面α与平面β相交但不垂直．答案 C2．若AB →＝λCD →＋μCE →，则直线AB 与平面CDE 的位置关系是( )．A ．相交B ．平行C ．在平面内D ．平行或在平面内解析 ∵AB →＝λCD →＋μCE →，∴AB →，CD →，CE →共面．则AB 与平面CDE 的位置关系是平行或在平面内．答案 D3．(2014·泰安质检)已知A (1,0,0)，B (0,1,0)，C (0,0,1)三点，向量n ＝(1,1,1)，则以n 为方向向量的直线l 与平面ABC 的关系是( )．A ．垂直B ．不垂直C ．平行D ．以上都有可能解析 易知AB →＝(－1,1,0)，AC →＝(－1,0,1)，∴AB →·n ＝－1×1＋1×1＋0＝0，∴AC →·n＝0，则AB →⊥n ，AC →⊥n ，即AB ⊥l ，AC ⊥l ，又AB 与AC 是平面ABC 内两相交直线，∴l ⊥平面ABC .答案 A如图，在长方体ABCD －A 1B 1C 1D 1中，AB ＝2，AA 1＝3，AD ＝22，P 为C 1D 1的中点，M 为BC 的中点．则AM 与PM 的位置关系为( )．A ．平行B ．异面C ．垂直D ．以上都不对解析以D 点为原点，分别以DA ，DC ，DD 1所在直线为x ，y ，z 轴，建立如图所示的空间直角坐标系D －xyz ，依题意，可得，D (0,0,0)，P (0,1，3)，C (0,2,0)，A (22，0,0)，M (2，2,0)． ∴PM →＝(2，2,0)－(0,1，3)＝(2，1，－3)，AM →＝(2，2,0)－(22，0,0)＝(－2，2,0)，∴PM →·AM →＝(2，1，－3)·(－2，2,0)＝0，即PM →⊥AM →，∴AM ⊥PM .答案 C5.如图，正方形ABCD 与矩形ACEF 所在平面互相垂直，AB ＝2，AF ＝1，M 在EF 上，且AM ∥平面BDE .则M 点的坐标为( )．A ．(1,1,1) B.⎝ ⎛⎭⎪⎫23，23，1 C.⎝ ⎛⎭⎪⎫22，22，1 D.⎝ ⎛⎭⎪⎫24，24，1 解析 连接OE ，由AM ∥平面BDE ，且AM ⊂平面ACEF ，平面ACEF ∩平面BDE ＝OE ，∴AM ∥EO ，又O 是正方形ABCD 对角线交点，∴M 为线段EF 的中点．在空间坐标系中，E (0,0,1)，F (2，2，1)．由中点坐标公式，知点M 的坐标⎝ ⎛⎭⎪⎫22，22，1. 答案 C二、填空题6．已知平面α和平面β的法向量分别为a ＝(1,1,2)，b ＝(x ，－2，3)，且α⊥β，则x ＝________.解析 ∵α⊥β，∴a ·b ＝x －2＋6＝0，则x ＝－4.答案 －47．已知平面α内的三点A (0,0,1)，B (0,1,0)，C (1,0,0)，平面β的一个法向量n ＝(－1，－1，－1)．则不重合的两个平面α与β的位置关系是________．解析 AB →＝(0,1，－1)，AC →＝(1,0，－1)，∴n ·AB →＝0，n ·AC →＝0，∴n ⊥AB →，n ⊥AC →，故n 也是α的一个法向量．又∵α与β不重合，∴α∥β.答案 平行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________．解析 ∵AB →·AP →＝0，AD →·AP →＝0，∴AB ⊥AP ，AD ⊥AP ，则①②正确．又AB →与AD →不平行，∴AP →是平面ABCD 的法向量，则③正确．由于BD →＝AD →－AB →＝(2,3,4)，AP →＝(－1,2，－1)，∴BD →与AP →不平行，故④错误．答案 ①②③三、解答题 9.如图所示，平面P AD ⊥平面ABCD ，ABCD 为正方形，△P AD 是直角三角形，且P A ＝AD ＝2，E ，F ，G 分别是线段P A ，PD ，CD 的中点．求证：PB ∥平面EFG . 证明 ∵平面P AD ⊥平面ABCD 且ABCD 为正方形，∴AB ，AP ，AD 两两垂直，以A 为坐标原点，建立如图所示的空间直角坐标系A －xyz ，则A (0,0,0)，B (2，0,0)，C (2,2,0)，D (0,2,0)，P (0，0,2)，E (0,0,1)，F (0,1,1)，G (1，2,0)．∴PB →＝(2,0，－2)，FE →＝(0，－1,0)，FG →＝(1,1，－1)，设PB →＝sFE →＋tFG →，即(2,0，－2)＝s (0，－1,0)＋t (1,1，－1)，∴⎩⎨⎧ t ＝2，t －s ＝0，－t ＝－2，解得s ＝t ＝2.∴PB →＝2FE →＋2FG →，又∵FE →与FG →不共线，∴PB →，FE →与FG →共面．∵PB ⊄平面EFG ，∴PB ∥平面EFG .10.如图所示，在四棱锥P －ABCD 中，PC ⊥平面ABCD ，PC ＝2，在四边形ABCD 中，∠B ＝∠C ＝90°，AB ＝4，CD ＝1，点M 在PB 上，PB ＝4PM ，PB 与平面ABCD 成30°的角．(1)求证：CM ∥平面P AD ；(2)求证：平面P AB ⊥平面P AD .证明以C 为坐标原点，CB 所在直线为x 轴，CD 所在直线为y 轴，CP 所在直线为z 轴建立如图所示的空间直角坐标系C －xyz .∵PC ⊥平面ABCD ，∴∠PBC 为PB 与平面ABCD 所成的角，∴∠PBC ＝30°.∵PC ＝2，∴BC ＝23，PB ＝4.∴D (0,1,0)，B (23，0,0)，A (23，4,0)，P (0,0,2)，M ⎝ ⎛⎭⎪⎫32，0，32，∴DP →＝(0，－1,2)，DA →＝(23，3,0)，CM →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫32，0，32， (1)设n ＝(x ，y ，z )为平面P AD 的一个法向量，则⎩⎪⎨⎪⎧ DP →·n ＝0，DA →·n ＝0，即⎩⎨⎧ －y ＋2z ＝0，23x ＋3y ＝0，∴⎩⎪⎨⎪⎧ z ＝12y ，x ＝－32y ， 令y ＝2，得n ＝(－3，2,1)．∵n ·CM →＝－3×32＋2×0＋1×32＝0，∴n ⊥CM →，又CM ⊄平面P AD ，∴CM ∥平面P AD .(2)取AP 的中点E ，并连接BE ，则E (3，2,1)，BE →＝(－3，2,1)，∵PB ＝AB ，∴BE ⊥P A . 又BE →·DA →＝(－3，2,1)·(23，3,0)＝0，∴BE →⊥DA →，则BE ⊥DA .∵P A ∩DA ＝A .∴BE ⊥平面P AD ，又∵BE ⊂平面P AB ，∴平面P AB ⊥平面P AD .能力提升题组(建议用时：25分钟)一、选择题1．已知AB →＝(1,5，－2)，BC →＝(3,1，z )，若AB →⊥BC →，BP →＝(x －1，y ，－3)，且BP ⊥平面ABC ，则x ＋y 的值为( )．A.257B.67C.187D.407解析 ∵AB →⊥BC →，∴AB →·BC →＝0，即3＋5－2z ＝0，得z ＝4，又BP ⊥平面ABC ，∴BP →⊥AB →，BP →⊥BC →，则⎩⎪⎨⎪⎧(x －1)＋5y ＋6＝0，3(x －1)＋y －12＝0，解得x ＝407，y ＝－157.于是x ＋y ＝407－157＝257. 答案 A2.如图所示，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.以上正确说法的个数为( )．A ．1B ．2C ．3D ．4解析 A 1M →＝A 1A →＋AM →＝A 1A →＋12AB →，D 1P →＝D 1D →＋DP →＝A 1A →＋12AB →，∴A 1M →∥D 1P →，所以A 1M ∥D 1P ，由线面平行的判定定理可知，A 1M ∥面DCC 1D 1，A 1M ∥面D 1PQB 1.①③④正确．答案 C二、填空题3.如图，正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1的棱长为1，E ，F 分别是棱BC ，DD 1上的点，如果B 1E ⊥平面ABF ，则CE 与DF 的和的值为________．解析 以D 1A 1，D 1C 1，D 1D 分别为x ，y ，z 轴建立空间直角坐标系，设CE ＝x ，DF ＝y ，则易知E (x,1,1)，B 1(1,1,0)，F (0,0,1－y )，B (1,1,1)，∴B 1E →＝(x －1,0,1)，∴FB →＝(1,1，y )，由于B 1E ⊥平面ABF ，所以FB →·B 1E →＝(1,1，y )·(x －1，0,1)＝0⇒x ＋y ＝1.答案 1三、解答题4．在四棱锥P －ABCD 中，PD ⊥底面ABCD ，底面ABCD 为正方形，PD ＝DC ，E ，F 分别是AB ，PB 的中点．(1)求证：EF ⊥CD ；(2)在平面P AD 内求一点G ，使GF ⊥平面PCB ，并证明你的结论．(1)证明如图，以DA ，DC ，DP 所在直线分别为x 轴，y 轴，z 轴建立空间直角坐标系，设AD ＝a ，则D (0,0,0)，A (a,0,0)，B (a ，a,0)，C (0，a,0)，E ⎝ ⎛⎭⎪⎫a ，a 2，0，P (0,0，a )， F ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2，a 2，a 2. EF →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫－a 2，0，a 2，DC →＝(0，a,0)． ∵EF →·DC →＝0，∴EF →⊥DC →，即EF ⊥CD .(2)解 设G (x,0，z )，则FG →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫x －a 2，－a 2，z －a 2， 若使GF ⊥平面PCB ，则由FG →·CB →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫x －a 2，－a 2，z －a 2·(a,0,0)＝a ⎝ ⎛⎭⎪⎫x －a 2＝0，得x ＝a 2；由FG →·CP →＝⎝ ⎛⎭⎪⎫x －a 2，－a 2，z －a 2·(0，－a ，a ) ＝a 22＋a ⎝ ⎛⎭⎪⎫z －a 2＝0，得z ＝0. ∴G 点坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2，0，0，即G 点为AD 的中点. 学生用书第128页。