人教版高中数学必选修2-1知识讲解,巩固练习(补习资料,期末复习资料,):空间向量与几何体(提高)
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空间向量及其线性运算(提高)【学习目标】1. 理解空间向量的概念,掌握空间向量的几何表示方法与字母表示方法.2.掌握空间向量的线性运算(加法、减法和数乘)及其运算律.3.掌握空间向量的共线定理和共面定理,并能用它们分析解决有关问题. 【要点梳理】要点一、空间向量的相关概念 1.空间向量的定义:在空间,我们把具有大小和方向的量叫做向量。
与平面向量一样,空间向量也用有向线段表示;记作:或。
(要注意印刷体用a ,而手写体为,要区分开)要点诠释:(1)空间中点的一个平移就是一个向量;(2)数学中讨论的向量与向量的起点无关,只与大小和方向有关,只要不改变大小和方向,空间向量可在空间内任意平移,故我们称之为自由向量。
2.空间向量的长度(模): 表示空间向量的有向线段的长度叫做向量的长度或模,记作或 3.空间向量的有关概念:零向量:长度为0或者说起点和终点重合的向量,记为。
规定:与任意向量平行。
单位向量:长度为1的空间向量,即.相等向量:方向相同且模相等的向量。
相反向量:方向相反但模相等的向量。
共线向量:如果表示空间向量的有向线段所在的直线互相平行或重合,则这些向量叫做共线向量或平行向量.平行于记作.共面向量:平行于同一个平面的向量,叫做共面向量。
要点诠释:①当我们说向量、共线(或//)时,表示、的有向线段所在的直线可能是同一直线,也可能是平行直线.②向量在空间中是可以平移的.空间任意两个向量都可以平移到同一个平面内,因此我们说空间任意两个向量是共面的.要点二、空间向量的加减法 1.加减法定义空间中任意两个向量都是共面的,它们的加、减法运算类似于平面向量的加减法.(如下图).AB a a ||AB ||a0||1a a b b a//a b a b a b2.运算律交换律: 结合律:要点诠释:(1) 空间向量的运算是平面向量运算的延展,空间向量的加法运算仍然满足平行四边形法则和三角形法则.而且满足交换律、结合律,这样就可以自由结合运算,可以将向量合并;(2) 向量的减法运算是向量加法运算的逆运算,满足三角形法则. (3) 空间向量加法的运算的小技巧:①首尾相接的若干向量之和,等于由起始向量的起点指向末尾向量的终点的向量, 即:因此,求空间若干向量之和时,可通过平移使它们转化为首尾相接的向量;②首尾相接的若干向量若构成一个封闭图形,则它们的和为零向量, 即:;要点三、空间向量的数乘运算1. 定义:实数与空间向量a 的乘积仍是一个向量,称为向量的数乘运算.当>0时,a 与a 方向相同; 当>0时,a 与a 方向相反; 当=0时,a=0.a 的长度是a 的长度的||倍.如右图所示.2.运算律.分配律:(a+b)=a+b ; 结合律:(μa)= (μ)a . 要点诠释:(1)实数与空间向量a 的乘积a (∈R)为空间向量的数乘运算,空间向量的数乘运算可把向a b b a +=+()()a b c a b c ++=++12233411n n n A A A A A A A A A A -++++=122334110n n n A A A A A A A A A A -+++++=λa λλλλλλλλλλλλλλλλλ量伸长或缩短或改为反方向的向量,当0<<1时,向量缩短;当>1时,向量伸长;当<0时,改为反方向的向量.(2)注意实数与向量的积的特殊情况,当=0时,a=0;当≠0时.若a≠0时,有a≠0.(3)实数与向量可以求积,但是不能进行加减运算,比如:+a ,-a 无意义.要点四、共线定理 1.共线向量的定义.与平面向量一样,如果表示空间向量的有向线段所在的直线互相平行或重合,则这些向量叫做共线向量或平行向量,记作a ∥b .注意: 0与任意向量是共线向量.2.共线向量定理.空间任意两个向量、(≠),//的充要条件是存在实数,使.要点诠释:此定理可分解为以下两个命题:① a ∥b (b≠0)存在唯一实数,使得a=b ;② 存在唯一实数,使得a=b (b≠0),则a ∥b .注意: b ≠0不可丢掉,否则实数就不唯一.3. 共线向量定理的用途: ①判定两条直线平行;(进而证线面平行) ②证明三点共线。
注意:证明平行时,先从两直线上取有向线段表示两个向量,然后利用向量的线性运算证明向量共线,进而可以得到线线平行,这是证明平行问题的一种重要方法。
证明三点共线问题,通常不用图形,直接利用向量的线性运算即可,但一定要注意所表示的向量必须有一个公共点。
要点五、共面定理 1.共面向量的定义.通常把平行于同一平面的向量,叫做共面向量.注意: 空间任两个向量是共面的,但空间任三个向量就不一定共面了. 2.共面向量定理.如果两个向量不共线,与向量共面的充要条件是存在唯一的有序 实数对(),使.推论:空间一点位于平面内的充分必要条件是存在有序实数对,使或对空间任一点,有,上式叫做平面的向量表达式.3.共面向量定理的用途: ①证明四点共面②线面平行(进而证面面平行)。
λλλλλλλλλa b b 0 a b λb aλ=⇒λλλλλ,a b p ,a b ,x y p xa yb =+P MAB ,x y MP xMA yMB =+O OP OM xMA yMB =++MAB【典型例题】类型一:空间向量的线性运算例1.(2018春 南昌期中)如图,空间四边形OABC 中,OA a =,OB b =,OC c =,点M 在线段OA 上,且OM=2MA ,点N 为BC 的中点,则MN =( )A .211322a b c -++ B .121232a b c -+ C .111222a b c +- D .221332a b c +-【思路点拨】由题意,把OA ,OB ,OC 三个向量看作是基向量,由图形根据向量的线性运算,将MN 用三个基向量表示出来,即可得到答案,选出正确选项。
【解析】MN MA AB BN =++1132OA OB OA BC =+-+ 211322OA OB OC OB =-++-211322OA OB OC =-++∵OA a =,OB b =,OC c =, ∴211322MN a b c =-++, 故选:A 。
【总结升华】本题考点是空间向量基本定理,考查了用向量表示几何的量,向量的线性运算,解题的关键是根据图形把所研究的向量用三个基向量表示出来,本题是向量的基础题。
举一反三:【变式1】如图:在平行六面体中,为与的交点。
若,,,则下列向量中与相等的向量是( )【答案】A 显然。
【变式2】(2018春 遂宁校级期末)已知空间四边形OABC ,M ,N 分别是OA ,BC 的中点,且OA a =,1111D C B A ABCD -M 11C A 11D B AB a =AD b =1AA c =BM()A 1122a b c-++()B1122a b c ++()C 1122a b c --+()D c b a +-2121=+-=+=111)(21AA B BB 1122a b c -++OB b =,OC c =,用a ,b ,c 表示向量MN 为( )A .111222a b c ++ B .111222a b c -+ C .111222a b c -++ D .111222a b c -+-【答案】C【解析】如图所示,连接ON ,AN ,则11()()22ON OB OC b c =+=+ 1()2AN AC AB =+1(2)2OC OA OB =-+ 1(2)2a b c =-++ 1122a b c =-++,所以1111()2222MN ON AN a b c =+=-++。
故选C 。
例2、如右图,在长方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中,下列各式中运算结果为向量的是( ).①;②; ③;④.A .①②B .②③C .③④D .①④【思路点拨】 在进行减法运算时,可将减去一个向量转化为加上这个向量的相反向量,而在进行加法运算时,首先考虑这两个向量在哪个平面内,然后像平面向量求和那样,运用向量运算定律、平行四边形法则、三角形法则及多边形法则来求解.【解析】 ①; ②;③; ④. 因此,①②两式的运算结果为向量,而③④两式运算的结果不为向量.故选A .【总结升华】化简向量表达式主要是利用平行四边形法则或三角形法则,遇到减法时既可转化为加法,也可按减法法则进行运算,加、减之间可以相互转化。
表达式中各向量系数相等时,根据数乘分配律,可1BD 111()A D A A AB --111()BC BB DC +-1()AD AB DD --1111()B D A A DD -+1111111()A D A A AB A D AA BA BD --=++=1111111111()BC BB DC BC BB C D BC C D BD +-=++=+=11111111()22AD AB DD BD D D BD DD BD DD DD BD DD BD --=+=-=+-=-≠111111*********()B D A A DD B D AA DD B D BB DD BD DD BD -+=++=++=+≠1BD 1BD以把相同的系数提到括号外面。
举一反三:【变式1】如图,已知长方体,化简下列向量表达式: (1); (2)。
【解析】 化简向量时,一般先用平行四边形得到相等的向量或相反向量,再将它们转化为具有同一起点的向量,最后利用三角形法则或平行四边形法则化简。
(1); (2)。
【变式2】 已知平行六面体,化简下列向量表达式,并在图中标出化简结果的向量:(1) ; (2) ;【答案】 (1) (2)【变式3】如图,已知平行六面体ABCD —A 1B 1C 1D 1,M 为A 1C 1与B 1D 1的交点,化简下列向量表达式:(1); (2); (3); (4)。
【答案】向量的加法利用平行四边形法则或三角形法则,封闭图形,首尾连接的向量的和为0。
(1); (2); ''''ABCD A B C D -'AA CB -111'222AD AB A A +-''''AA CB AA BC AA AD AD -=+=+=111111''222222AD AB A A AD AB AA +-=++11(')'22AD AB AA AC =++=1111ABCD A B C D -1AB AD AA ++1DD AB BC -+11AB AD AA AC ++=11DD AB BC BD -+=111AA A B +11111122A B A D +111111122AA A B A D ++1111AB BC CC C A A A ++++1111AA A B AB +=111111*********()2222A B A D A B A D AC A M +=+==C1(3); (4)。