立体几何-二面角求解五法
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二面角求法总结一、定义法定义法是求二面角的基本方法,它通过定义二面角的平面角来求解。
具体来说,如果两个平面相交,那么它们会在交线上形成一个角,这个角就是二面角的平面角。
通过找到这个角的两边,我们可以使用三角函数来求解这个角的大小。
二、垂线法垂线法是一种常用的求二面角的方法,它通过找到一个垂直于两个平面的交线的直线,并将这个直线延长到一个已知点,然后使用三角函数来求解这个角的大小。
这个方法的关键在于找到正确的垂线,并且这个垂线应该是垂直于交线的。
三、射影面积法射影面积法是一种利用射影面积定理求解二面角的方法。
通过找到两个平面上的两条射线和它们之间的夹角,我们可以使用射影面积定理来求解这个角的大小。
这种方法需要先找到正确的射线和夹角,然后使用射影面积定理来计算结果。
四、三垂线定理法三垂线定理法是一种利用三垂线定理来求解二面角的方法。
如果一个平面内的直线与另一个平面垂直,那么这个直线与第一个平面的交点与第二个平面的交点的连线与原直线的夹角就是要求的二面角。
这种方法的关键在于找到正确的三垂线定理的应用条件,并且正确地应用三垂线定理来计算结果。
五、角平分线法角平分线法是一种利用角平分线定理来求解二面角的方法。
如果一个平面内的角平分线与另一个平面垂直,那么角平分线与原直线的夹角就是要求的二面角。
这种方法的关键在于找到正确的角平分线的应用条件,并且正确地应用角平分线定理来计算结果。
六、向量法向量法是一种利用向量的数量积和向量积来求解二面角的方法。
通过找到两个平面上的两个向量,我们可以使用向量的数量积和向量积来计算这两个向量的夹角,这个夹角就是要求的二面角。
这种方法的关键在于正确地找到两个向量,并且正确地应用向量的数量积和向量积来计算结果。
七、坐标法坐标法是一种利用坐标系来求解二面角的方法。
通过建立适当的坐标系,我们可以将二面角的问题转化为求解一个几何量的值的问题。
这种方法的关键在于建立正确的坐标系,并且正确地使用代数方法来计算结果。
五法求二面角从全国19份高考试卷中我们知道,立体几何题中命有求二面角大小的试题共有12份,并都为分值是12分的大题,足以说明这一知识点在高考中的位置,据有关专家分析,它仍然是2010年高考的重点,因此,我们每位考生必须注意,学会其解题方法,掌握其解题技巧,是十分重要的。
一、 定义法:从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角, 这条直线叫做二面角的棱, 这两个半平面叫做二面角的面,在棱上取点,分别在两面内引两条射线与棱垂直,这两条垂线所成的角的大小就是二面角的平面角。
本定义为解题提供了添辅助线的一种规律。
如例1中从二面角S —AM —B 中半平面ABM 上的一已知点(B )向棱AM 作垂线,得垂足(F );在另一半平面ASM 内过该垂足(F )作棱AM 的垂线(如GF ),这两条垂线(BF 、GF )便形成该二面角的一个平面角,再在该平面角内建立一个可解三角形,然后借助直角三角函数、正弦定理与余弦定理解题。
例1(2009全国卷Ⅰ理)如图,四棱锥S ABCD -中,底面ABCD 为矩形,SD ⊥底面ABCD,AD =2DC SD ==,点M 在侧棱SC 上,ABM ∠=60°(I )证明:M 在侧棱SC 的中点 (II )求二面角S AM B --的大小。
证(I )略解(II ):利用二面角的定义。
在等边三角形ABM 中过点B作BF AM ⊥交AM 于点F ,则点F 为AM 的中点,过F 点在平面ASM 内作GF AM ⊥,GF 交AS 于G ,连结AC ,∵△ADC ≌△ADS ,∴AS-AC ,且M 是SC 的中点, ∴AM ⊥SC , GF ⊥AM ,∴GF ∥AS ,又∵F 为AM 的中点,∴GF 是△AMS 的中位线,点G 是AS 的中点。
则GFB ∠即为所求二面角. ∵2=SM ,则22=GF ,又∵6==AC SA ,∴2=AM ∵2==AB AM ,060=∠ABM ∴△ABM 是等边三角形,∴3=BF在△GAB 中,26=AG ,2=AB ,090=∠GAB ,∴211423=+=BG FG366232222113212cos 222-=-=⨯⨯-+=⋅-+=∠FB GF BG FB GF BFG ∴二面角S AM B --的大小为)36arccos(-练习1(2008山东)如图,已知四棱锥P -ABCD ,底面ABCD 为菱形,P A ⊥平面ABCD ,60ABC ∠=︒,E ,F 分别是BC , PC 的中点. (Ⅰ)证明:AE ⊥PD ;(Ⅱ)若H 为PD 上的动点,EH 与平面P AD 所成最大角E —AF —C 的余弦值. 分析:第1题容易发现,可通过证AE ⊥AD 后推出AE ⊥平面APD ,使命题获证,而第2题,则首先必须在找到最大角正切值有关的线段计算出各线段的长度之后,考虑到运用在二面角的棱AF 上找到可计算二面角的平面角的顶点S ,和两边SE 与SC ,进而计算二面角的余弦值。
二面角求法正方体是研究立体几何概念的一个重要模型,中学立体几何教学中,求平面与平面所成的二面角是转化为平面角来度量的,也可采用一些特殊的方法求二面角,而正方体也是探讨求二面角大小方法的典型几何体。
笔者通过探求正方体中有关二面角,分析求二面角大小的八种方法:(1)平面角定义法;(2)三垂线定理法;(3)线面垂直法;(4)判定垂面法;(5)异面直线上两点间距离公式法;(6)平行移动法;(7)投影面积法;(8)棱锥体积法。
一、平面角定义法此法是根据二面角的平面角定义,直接寻求二面角的大小。
以所求二面角棱上任意一点为端点,在二面角两个平面内分别作垂直于棱的两条射线所成角就是二面角的平面角,如图二面角α-l-β中,在棱l上取一点O,分别在α、β两个平面内作AO⊥l,BO⊥l,∠AOB即是所求二面角的平面角。
例题1:已知正方体ABCD-A1B1C1D1中,O、O1是上下底面正方形的中心,求二面角O1-BC-O的大小。
例题2:已知正方体ABCD-A1B1C1D1中,E、F为A1D1、C1D1的中点,求平面EFCA与底面ABCD所成的二面角。
二、 利用三垂线定理法此方法是在二面角的一个平面内过一点作另一个面的垂线,再由垂足(或仍是该点)作棱的垂线,连接该点和棱上的垂足(或连两垂足)两点线,即可得二面角的平面角。
如图二面角α-l-β中,在平面α内取一点A ,过A 作AB ⊥平面β,B 是垂足, 由B (或A )作BO (或AO )⊥l ,连接AO (或BO )即得AO 是平面β的斜线, BO 是AO 在平面β中的射影,根据三垂线定理(或逆定理)即得AO ⊥l ,BO ⊥l , 即∠AOB 是α-l-β的平面角。
例题3:已知正方体ABCD-A 1B 1C 1D 1中,求二面角B-AC-B 1的大小。
例题4:已知正方体ABCD-A 1B 1C 1D 1中,求平面ACD 1与平面BDC 1所成的二面角。
三、 线面垂直法此法利用直线垂直平面即该直线垂直平面内任何直线的性质来寻求二面角的平面角。
求二面角的六种方法一、引言二面角是几何学中的一个重要概念,它用于描述两个平面的夹角。
求解二面角的方法有多种,本文将介绍六种常用的方法,包括向量法、三角函数法、三边长法、内外法、旋转法和平行四边形法。
对于每种方法,我们将详细介绍其原理和具体步骤,并给出相关的实例来加深理解。
二、向量法向量法是最常用的求解二面角的方法之一,其基本原理是通过两个平面的法向量来计算二面角。
具体步骤如下:2.1 确定两个平面首先,我们需要确定需要求解的两个平面。
平面可以由三个不共线的点或者法向量和过点的方程来确定。
2.2 求解法向量找到两个平面的法向量,分别记作n1⃗⃗⃗⃗ 和n2⃗⃗⃗⃗ 。
2.3 计算二面角的余弦值通过法向量n1⃗⃗⃗⃗ 和n2⃗⃗⃗⃗ 的点积计算二面角的余弦值:cosθ=n1⃗⃗⃗⃗ ⋅n2⃗⃗⃗⃗ ∥n1⃗⃗⃗⃗ ∥∥n2⃗⃗⃗⃗ ∥2.4 计算二面角通过余弦值反函数(如反余弦函数)计算二面角的值:θ=arccos(cosθ)三、三角函数法三角函数法是另一种常用的求解二面角的方法,主要基于三角函数的关系来计算二面角。
具体步骤如下:3.1 确定两个平面同样,我们首先需要确定需要求解的两个平面。
3.2 求解法向量和对应边长求解两个平面的法向量n 1⃗⃗⃗⃗ 和n 2⃗⃗⃗⃗ ,以及两个平面上的边长。
3.3 计算三角函数的值根据边长和法向量的乘积,分别计算sinα=∥n 1⃗⃗⃗⃗⃗ ×n 2⃗⃗⃗⃗⃗ ∥∥n 1⃗⃗⃗⃗⃗ ∥∥n 2⃗⃗⃗⃗⃗ ∥和cosα=n1⃗⃗⃗⃗⃗ ⋅n 2⃗⃗⃗⃗⃗ ∥n 1⃗⃗⃗⃗⃗ ∥∥n 2⃗⃗⃗⃗⃗ ∥,其中α为两个边向量构成的夹角。
3.4 计算二面角通过三角函数的反函数(如反正弦函数、反余弦函数)计算夹角α的值,即得到二面角的值。
四、三边长法三边长法是一种适用于三角形的方法,其原理是利用给定的三边长计算三角形的角度,进而求得二面角。
具体步骤如下:4.1 确定三个边长根据具体情况,确定三个边长a 、b 和c 。
立体几何二面角求法一:知识准备1 、二面角的概念:从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角 , 这条直线叫做二面角的棱 , 这两个半平面叫做二面角的面 .2 、二面角的平面角的概念:平面角是指以二面角的棱上一点为端点,在两个半平面内分别做垂直于棱的两条射线,这两条射线所成的角就叫做该二面角的平面角。
3 、二面角的大小范围: [0 °, 180 ° ]4 、三垂线定理:平面内的一条直线,如果和这个平面的一条斜线的射影垂直,那么它就和这条斜线垂直5 、平面的法向量:直线 L 垂直平面α,取直线 L 的方向向量,则这个方向向量叫做平面α的法向量。
(显然,一个平面的法向量有无数个,它们是共线向量)6 、二面角做法:做二面角的平面角主要有 3 种方法:( 1 )、定义法:在棱上取一点,在两个半平面内作垂直于棱的 2 条射线,这 2 条所夹的角;( 2 )、垂面法:做垂直于棱的一个平面,这个平面与 2 个半平面分别有一条交线,这 2 条交线所成的角;( 3 )、三垂线法:过一个半平面内一点(记为 A )做另一个半平面的一条垂线,过这个垂足(记为 B )再做棱的垂线,记垂足为 C ,连接 AC ,则∠ ACB 即为该二面角的平面角。
7 、两个平面的法向量的夹角与这两个平面所成的二面角的平面角有怎样的关系?二:二面角的基本求法及练习1 、定义法:从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角 , 这条直线叫做二面角的棱 , 这两个半平面叫做二面角的面, 在棱上取点,分别在两面内引两条射线与棱垂直,这两条垂线所成的角的大小就是二面角的平面角。
本定义为解题提供了添辅助线的一种规律。
如例 1 中从二面角 S —AM —B 中半平面 ABM 上的一已知点( B )向棱 AM 作垂线,得垂足( F );在另一半平面 ASM 内过该垂足( F )作棱 AM 的垂线(如 GF ),这两条垂线( BF 、 GF )便形成该二面角的一个平面角,再在该平面角内建立一个可解三角形,然后借助直角三角函数、正弦定理与余弦定理解题。
平面角定义法例题2:已知正方体 ABCD-ABCD 中,E 、 所成的二面角二面角求法正方体是研究立体几何概念的一个重要模型,中学立体几何教学中,求平面与平面所成的二 面角是转化为平面角来度量的,也可采用一些特殊的方法求二面角,而正方体也是探讨求二面角 大小方法的典型几何体。
笔者通过探求正方体中有关二面角, 分析求二面角大小的八种方法:(1) 平面角定义法;(2)三垂线定理法;(3)线面垂直法;(4)判定垂面法;(5)异面直线上两点间 距离公式法;(6)平行移动法;(7)投影面积法;(8)棱锥体积法。
此法是根据二面角的平面角定义,直接寻求二面角的大小。
以所求二面角棱上任意一点为端点,在二面角两个平面内 分别作垂直于棱的两条射线所成角就是二面角的平面角, 如图二面角a -l- B 中,在棱I 上取一点O,分别在a 、B 两个平面内作AC L I ,BOLI ,/ AOB 即是所求二面角的平面角例题1:已知正方体ABCD-AB i CD 中,C O 是上下底面正方形的中心,求二面角 O-BC-O 的大小。
C iC利用三垂线定理法此方法是如图二面角a -l- B 中,在平面a 内取一点A, 过A 作AB 丄平面B ,B 是垂足,由B (或A )作B0(或AO 丄l ,连接A0(或B0即得A0是平面B 的斜线,B0是 A0在平面B 中的射影,根据三垂线定理(或逆定理)即得 A0LI , B0LI , 即/ A0B 是 a -I- B 的平面角。
例题3 :已知正方体 ABCD-A i C l D 中,求二面角 B-AC-B 的大小。
线面垂直法例题4:已知正方体ABCD-ABiGD 中,求平面 ACD 与平面BDC 所成的二面角。
此法利用直线垂直平面即该直线垂直平面内任何直线的性质来寻求二面角的平面角。
方法是 过所求二面角的棱上一点,作棱的垂面,与两个平面相交所得两条交线的所成角即是二面角的平 面角。
如图在二面角a -I- B 的棱上任取一点0过0作平面丫丄I , a G 丫 =A0 B G Y =B0得/ A0B 是平面角, v I 丄丫,I 丄 A0I 丄 B0•••/ A0B是二面角的平面角。
二面角大小的求法二面角的类型和求法可用框图展现如下:一、定义法:直接在二面角的棱上取一点(特殊点),分别在两个半平面内作棱的垂线,得出平面角,用定义法时,要认真观察图形的特性;例、如图,已知二面角α-а-β等于120°,PA⊥α,A∈α,PB⊥β,B∈β. 求∠APB的大小.PA=AB=a,求二面角B-PC-D的大小。
二、三垂线定理法:已知二面角其中一个面内一点到一个面的垂线,用三垂线定理或逆定理作出二面角的平面角;例、在四棱锥P-ABCD 中,ABCD 是平行四边形,PA ⊥平面ABCD ,PA=AB=a ,∠ABC=30°,求二面角P-BC-A 的大小。
例、(2003北京春)如图,ABCD-A 1B 1C 1D 1是长方体,侧棱AA 1长为1,底面为正方体且边长为2,E 是棱BC 的中点,求面C 1DE 与面CDE 所成二面角的正切值.ABCDA 1B 1C 1D 1EO例、ΔABC中,∠A=90°,AB=4,AC=3,平面ABC外一点P在平面ABC内的射影是AB中点M,二面角P—AC—B的大小为45°。
求(1)二面角P—BC—A的大小;(2)二面角C—PB—A的大小例、(2006年陕西试题)如图4,平面α⊥平面β,α∩β=l,A∈α,B∈β,点A在直线l上的射影为A1,点B在l的射影为B1,已知AB=2,AA1=1,BB1=2,求:二面角A1-AB-B1的大小.图4 B1AαβA1B LE F三、垂面法:已知二面角内一点到两个面的垂线时,过两垂线作平面与两个半平面的交线所成的角即为平面角,由此可知,二面角的平面角所在的平面与棱垂直;例、空间的点P 到二面角βα--l 的面α、β及棱l 的距离分别为4、3、3392,求二面角βα--l 的大小.四、射影法:(面积法)利用面积射影公式S 射=S 原cos θ,其中θ为平面角的大小,此方法不必在图形中画出平面角;例、在四棱锥P-ABCD 中,ABCD 为正方形,PA⊥平面ABCD ,PA =AB =a ,求平面PBA 与平面PDC 所成二面角的大小。
v1.0 可编辑可修改五法求二面角一、 定义法:从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角, 这条直线叫做二面角的棱, 这两个半平面叫做二面角的面,在棱上取点,分别在两面内引两条射线与棱垂直,这两条垂线所成的角的大小就是二面角的平面角。
例1如图,四棱锥S ABCD -中,底面ABCD 为矩形,SD ⊥底面ABCD ,2AD =2DC SD ==,点M 在侧棱SC 上,ABM ∠=60°(I )证明:M 在侧棱SC 的中点 (II )求二面角S AMB --的大小。
练习1如图,已知四棱锥P -ABCD ,底面ABCD 为菱形,PA ⊥平面ABCD ,60ABC∠=︒,E ,F 分别是BC , PC 的中点.(Ⅰ)证明:AE ⊥PD ; (Ⅱ)若H 为PD 上的动点,EH 与平面PAD 所成最大角的正切值为62,求二面角E —AF —C 的余弦值.二、三垂线法三垂线定理:在平面内的一条直线,如果和这个平面的一条斜线的射影垂直,那么它也和这条斜线垂直.通常当点P 在一个半平面上则通常用三垂线定理法求二面角的大小。
例2. 如图,在直四棱柱ABCD-A 1B 1C 1D 1中,底面ABCD 为等腰梯形,AB111111ABCD P -ABCD60,22,2,2,3=∠====PAB PD PA AD AB ⊥AD PABPC AD A BD P -- (Ⅰ)证明:平面PBE ⊥平面PAB ;(Ⅱ)求平面PAD 和平面PBE 所成二面角(锐角)的大小.练习3已知斜三棱柱ABC —A 1B 1C 1的棱长都是a ,侧棱与底面成600的角,侧面BCC 1B 1⊥底面ABC 。
(1)求证:AC 1⊥BC ;(2)求平面AB 1C 1与平面 ABC 所成的二面角(锐角)的大小。
四、射影面积法(coss S射影)凡二面角的图形中含有可求原图形面积和该图形在另一个半平面上的射影图形面积的都可利用射影面积公式(cos 斜射S S =θ)求出二面角的大小。
二面角问题在立体几何中比较常见,常见的命题形式有求二面角的大小、求二面角的余弦值,证明两个平面互相垂直等.此类问题的难度一般较大,需综合运用立体几何知识、平面几何知识、解三角形知识、三角函数知识,才能顺利求得问题的答案.本文结合实例,重点探讨一下求解二面角问题的几种常用方法.一、定义法二面角是由从一条直线出发的两个半平面所组成的,而二面角的大小往往是用其平面角的大小来表示,因此在求二面角的大小时,通常要用到二面角的平面角的定义:过二面角的棱上的一点在两个半平面内作垂直于棱的射线,两射线所成的角.然后根据正余弦定理、勾股定理求得二面角的平面角的大小,即可求得二面角的大小.例1.如图1,已知空间中有三条射线CA 、CP 、CB ,且∠PCA =∠PCB =60°,∠ACB =90°,求二面角B -PC -A 的余弦值.图1解:在PC 上任取一点D ,过D 分别作DE ⊥PC ,DF ⊥PC ,连接EF ,所以∠EDF 为二面角B -PC -A 的平面角,设CD =a ,因为∠PCA =∠PCB =60°,所以CE =CF =2a ,DE =DF =3a ,因为∠ACB =90°,所以EF =22a ,在△DEF 中,根据余弦定理得:cos ∠EDF =3a 2+3a 2-8a 22∙3a2=-13.解答本题主要运用了定义法,需根据二面角的平面角的定义,在二面角B -PC -A 的棱PC 上任取一点D ,过D 分别作DE ⊥PC ,DF ⊥PC ,从而确定了二面角B -PC -A 的平面角∠EDF ,再根据余弦定理求得cos ∠EDF 的值.二、垂面法垂面法是指作一个垂直的平面,根据其中的垂直关系求得问题的答案.在求解二面角问题时,若题目中涉及的垂直关系较多,可过二面角棱上的一点在两个半平面内作棱的垂线;也可将两个半平面内的垂线平移,使其交于一点;还可过一条垂线上的一点作另一个平面的垂线,从而构成一个垂面,则垂面上的两条垂线或其平行线所形成的夹角即为二面角的平面角.最后根据勾股定理即可求得二面角的平面角的大小.例2.如图2,在四棱锥P -ABCD 中,ABCD 是正方形,PA ⊥平面ABCD ,PA =AB =a ,求二面角B -PC -D 的大小.图2解:因为PA ⊥平面ABCD ,ABCD 是正方形,所以PA ⊥BD ,BD ⊥AC ,所以BD ⊥平面PAC ,可得BD ⊥PC ,分别过B 、D 作DH ⊥PC ,BH ⊥PC ,则∠BHD 为二面角B -PC -D 的平面角,因为PA =AB =a ,所以BC =a ,PB =AC =2a ,所以PC =3a ,根据勾股定理可得∠PBC =90°,所以在△PBC 中,12PB ∙BC =S △PBC =12PC ∙BH ,则BH ,同理可得DH ,因为BD =2a ,所以在△BHD 中,由余弦定理可得:cos ∠BHD =ö÷2+ö÷2-2a 2-12,因为0<∠BHD <π,则∠BHD =2π3,即二面角B -PC -D 的大小为2π3.本题中的垂直关系较多,于是分别过B 、D 作DH ⊥PC ,BH ⊥PC ,得到PC 的垂面BHD ,据此确定二面角B -PC -D 的平面角∠BHD ,再在△BHD 中由怎样求解二面角问题方法集锦43余弦定理即可求得∠BHD 的大小,进而求得二面角B -PC -D 的大小.值得注意的是,二面角α的范围为:[0,π].三、三垂线法三垂线法是利用三垂线定理解题的方法.运用三垂线法求解二面角问题,需先找到平面的垂线,然后过垂线上的一点作平面的斜线,若平面内的一条直线与平面的斜线垂直,那么这条直线与斜线在平面内的射影垂直,根据这些垂直关系就可以确定二面角的平面角,最后根据勾股定理、正余弦定理即可求得平面角的大小.例3.如图3所示,在四棱锥P -ABCD 中,ABCD 是平行四边形,PA ⊥平面ABCD ,PA =AB =a ,∠ABC =30°,求二面角P -BC -A 的大小.图3解:如图3,过A 作AH ⊥BC 于H ,连接PH ,因为PA ⊥平面ABCD ,所以PA ⊥BC ,PA ⊥AH ,所以BC ⊥平面PHA ,所以BC ⊥PH ,可知∠PHA 是二面角P -BC -A 的平面角,在Rt△ABH 中,AB =a ,∠ABH =∠ABC =30°所以AH =AB sin ∠ABH =a sin 30°=12a ,因为PA ⊥AH ,所以在Rt△PHA 中,tan ∠PHA =PA AH=2,所以∠PHA =arctan 2,故二面角P -BC -A 的大小为arctan 2.根据题意作AH ⊥BC ,便可知AH 为PH 在平面ABCD 内的射影,由三垂线定理可得BC ⊥PH ,由此可确定∠PHA 是二面角P -BC -A 的平面角,再在Rt△PHA 中根据正切函数的定义求得∠PHA 的大小,进而可得到二面角P -BC -A 的大小.由此可见,求解二面角问题的关键有两步:第一步,根据二面角的平面角的定义、三垂线定理、垂面的性质,确定二面角的平面角;第二步,根据勾股定理、正余弦定理、三角函数的定义求得平面角的大小.(作者单位:江西省赣州市南康第三中学)二次函数是一种基本初等函数.二次函数问题的常见命题形式有求二次函数的解析式、最值、对称轴、单调区间、零点等.这类问题侧重于考查二次函数的图象和性质.下面重点谈一谈如何求解有关二次函数的最值问题、零点问题和不等式问题.一、二次函数的最值问题二次函数y =ax 2+bx +c 的图象是一条抛物线,若a >0,则抛物线的开口向上;若a <0,则抛物线的开口向下.当x =-b 2a 时,函数在R 上有最值b 2-4ac 4a.若函数的定义域为[m ,n ],则需分三种情况考虑:(1)当-b 2a ∈[m ,n ]时,函数在x =-b 2a 处取得最值;(2)当x =-b 2a,在[m ,n ]的左侧时,若a >0,则函数在x =m处取最小值,在x =n 处取最大值,若a <0,则相反;(3)当x =-b2a在[m ,n ]的右侧时,若a >0,则函数在x =m 处取最大值,在x =n 处取最小值;若a <0,则相反.例1.求y=-5x 2-6x +1的最大值.解:y =-5x 2-6x +1是二次函数,x 2的系数是-5,所以二次函数图象的开口向下,当x =-65时,函数有最大值1.利用二次函数的图象,即可确定二次函数在对称轴处取得最值.除了用图象法求解最值问题,还可以用配方法,比如y =x 2+4x +3=()x +22-1,可知当x =-2时函数的最小值为-1.例2.已知函数f (x )=x 2+(2a -1)x -3.方法集锦44。
立体几何二面角求法
立体几何中的二面角是指两个平面的夹角,其中一个平面是由立体图形的两个面组成的。
二面角是非常重要的几何概念,它在计算立体图形的体积、表面积和角度时都有很多应用。
二面角的求法有很多种,其中比较常用的方法有以下几种:
1. 用余弦定理求解
在立体图形中,二面角的两个平面可以看做是两个三角形的平面。
如果已知两个三角形的边长及它们之间的夹角,就可以用余弦定理求出二面角的大小。
2. 用向量求解
向量是几何中非常重要的概念,可以用来表示空间中的点和方向。
如果已知二面角的两个平面的法向量,就可以用向量求解的方法求出二面角的大小。
3. 用三维坐标系求解
在三维坐标系中,可以用向量表示空间中的点和方向。
如果已知二面角的两个平面在三维坐标系中的方程式,就可以用向量求解的方法求出二面角的大小。
以上是三种比较常用的二面角求解方法,不同的方法适用于不同的情况。
在实际应用中,根据具体的问题选择合适的方法可以提高计算的效率。
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立体几何-二面角求解五法一、定义法:从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角, 这条直线叫做二面角的棱, 这两个半平面叫做二面角的面,在棱上取点,分别在两面内引两条射线与棱垂直,这两条垂线所成的角的大小就是二面角的平面角。
本定义为解题提供了添辅助线的一种规律。
如例1中从二面角S —AM —B 中半平面ABM 上的一已知点(B )向棱AM 作垂线,得垂足(F );在另一半平面ASM 内过该垂足(F )作棱AM 的垂线(如GF ),这两条垂线(BF 、GF )便形成该二面角的一个平面角,再在该平面角内建立一个可解三角形,然后借助直角三角函数、正弦定理与余弦定理解题。
例1如图,四棱锥S ABCD -中,底面ABCD 为矩形,SD ⊥底面ABCD ,2AD =2DC SD ==,点M 在侧棱SC 上,ABM ∠=60°(I )证明:M 在侧棱SC 的中点(II )求二面角S AM B --的大小。
解证(I )略 (II ):利用二面角的定义。
在等边三角形ABM 中过点B 作BF AM ⊥交AM 于点F ,则点F 为AM 的中点,过F 点在平面ASM 内作GF AM ⊥,GF 交AS 于G ,连结AC ,∵△ADC ≌△ADS ,∴AS-AC ,且M 是SC 的中点, ∴AM ⊥SC , GF ⊥AM ,∴GF ∥AS ,又∵F 为AM 的中点, ∴GF 是△AMS 的中位线,点G 是AS 的中点。
则GFB ∠即为所求二面角. ∵2=SM ,则22=GF ,又∵6==AC SA ,∴2=AM ∵2==AB AM ,060=∠ABM ∴△ABM 是等边三角形,∴3=BF在△GAB 中,26=AG ,2=AB ,090=∠GAB , ∴211423=+=BG FGFG366232222113212cos 222-=-=⨯⨯-+=⋅-+=∠FB GF BG FB GF BFG ∴二面角S AM B --的大小为)36arccos(-练习1如图,已知四棱锥P -ABCD ,底面ABCD 为菱形,P A ⊥平面ABCD ,60ABC ∠=︒,E ,F 分别是BC , PC 的中点. (Ⅰ)证明:AE ⊥PD ;(Ⅱ)若H 为PD 上的动点,EH 与平面P AD 所成最大角的正切值为6,求二面角E —AF —C 的余弦值. 分析:第1题容易发现,可通过证AE ⊥AD 后推出AE ⊥平面APD ,使命题获证,而第2题,则首先必须在找到最大角正切值有关的线段计算出各线段的长度之后,考虑到运用在二面角的棱AF 上找到可计算二面角的平面角的顶点S ,和两边SE 与SC ,进而计算二面角的余弦值。
(答案:515) 二、三垂线法三垂线定理:在平面内的一条直线,如果和这个平面的一条斜线的射影垂直,那么它也和这条斜线垂直.通常当点P 在一个半平面上则通常用三垂线定理法求二面角的大小。
本定理亦提供了另一种添辅助线的一般规律。
如(例2)过二面角B-FC 1-C 中半平面BFC 上的一已知点B 作另一半平面FC 1C 的垂线,得垂足O ;再过该垂足O 作棱FC 1的垂线,得垂足P ,连结起点与终点得斜线段PB ,便形成了三垂线定理的基本构图(斜线PB 、垂线BO 、射影OP )。
再解直角三角形求二面角的度数。
例2.在直四棱柱ABCD-A 1B 1C 1D 1中,底面ABCD 为等腰梯形,AB//CD ,AB=4, BC=CD=2, AA 1=2, E 、E 1、F 分别是棱AD 、AA 1、AB 中点。
(1) 证明:直线EE 1//平面FCC 1;A 1B 1C 1D 1F 1EABCF EA B CDD(2) 求二面角B-FC 1-C 的余弦值。
证(1)略解(2)因为AB=4, BC=CD=2, 、F 是棱AB 的中点,所以BF=BC=CF,△BCF 为正三角形,取CF 的中点O,则OB ⊥CF,又因为直四棱柱ABCD-A 1B 1C 1D 1中,CC 1⊥平面ABCD,所以CC 1⊥BO,所以OB ⊥平面CC 1F,过O 在平面CC 1F 内作OP ⊥C 1F,垂足为P,连接BP,则∠OPB 为二面角B-FC 1-C 的一个平面角, 在△BCF 为正三角形中,3OB =,在Rt △CC 1F 中, △OPF ∽△CC 1F,∵11OP OF CC C F =∴22122222OP =⨯=+, 在Rt △OPF 中,22114322BP OP OB =+=+=,272cos 14OP OPB BP ∠===,所以二面角B-FC 1-C 的余弦值为7. 练习2如图,在四棱锥ABCD P -中,底面ABCD 是矩形.已知ο60,22,2,2,3=∠====PAB PD PA AD AB .(Ⅰ)证明⊥AD 平面PAB ;(Ⅱ)求异面直线PC 与AD 所成的角的大小; (Ⅲ)求二面角A BD P --的大小.分析:本题是一道典型的利用三垂线定理求二面角问题,在证明AD ⊥平面PAB 后,容易发现平面PAB ⊥平面ABCD ,点P 就是二面角P-BD-A 的半平面上的一个点,于是可过点P 作棱BD 的垂线,再作平面ABCD 的垂线,于是可形成三垂线定理中的斜线与射影内容,从而可得本解法。
(答案:二面角A BD P --的大小为439arctan ) 三.补棱法本法是针对在解构成二面角的两个半平面没有明确交线的求二面角题目时,要将两平面的图形补充完整,使之有明确的交线(称为补棱),然后借助前述的定义法与三垂线法解题。
P即当二平面没有明确的交线时,一般用补棱法解决例3如图所示,四棱锥P-ABCD的底面ABCD是边长为1的菱形,∠BCD=60°,E是CD 的中点,P A⊥底面ABCD,P A=2.(Ⅰ)证明:平面PBE⊥平面P AB;(Ⅱ)求平面P AD和平面PBE所成二面角(锐角)的大小.分析:本题的平面P AD和平面PBE没有明确的交线,依本法显然要补充完整(延长AD、BE相交于点F,连结PF.)再在完整图形中的PF.上找一个适合的点形成二面角的平面角解之。
(Ⅰ)证略解: (Ⅱ)延长AD、BE相交于点F,连结PF.过点A作AH⊥PB于H,由(Ⅰ)知平面PBE⊥平面P AB,所以AH⊥平面PBE.在Rt△ABF中,因为∠BAF=60°,所以,AF=2AB=2=AP.在等腰Rt△P AF中,取PF的中点G,连接AG.则AG⊥PF.连结HG,由三垂线定理的逆定理得,PF⊥HG.所以∠AGH是平面P AD和平面PBE所成二面角的平面角(锐角).在等腰Rt△P AF中,2AG PA==在Rt△P AB中,5AP ABAHPB====g所以,在Rt△AHG中,sinAHAGHAG∠===故平面P AD和平面PBE所成二面角(锐角)的大小是练习3已知斜三棱柱ABC—A1B1C1的棱长都是a,侧棱与底面成600的角,侧面BCC1B1⊥底面ABC。
ABCEDPFGHB1C1A1(1)求证:AC 1⊥BC ;(2)求平面AB 1C 1与平面 ABC 所成的二面角(锐角)的大小。
提示:本题需要补棱,可过A 点作CB 的平行线L (答案:所成的二面角为45O )凡二面角的图形中含有可求原图形面积和该图形在另一个半平面上的射影图形面积的都可利用射影面积公式(cos 斜射S S =θ)求出二面角的大小。
例4.如图,在三棱锥P ABC -中,2AC BC ==,90ACB ∠=o ,AP BP AB ==,PC AC ⊥.(Ⅰ)求证:PC AB ⊥;(Ⅱ)求二面角B AP C --的大小;分析:本题要求二面角B —AP —C 的大小,如果利用射影面积法解题,不难想到在平面ABP 与平面ACP 中建立一对原图形与射影图形并分别求出S 原与S 射 于是得到下面解法。
解:(Ⅰ)证略(Ⅱ)AC BC =Q ,AP BP =,APC BPC ∴△≌△. 又PC AC ⊥,PC BC ∴⊥.又90ACB ∠=o,即AC BC ⊥,且AC PC C =I ,BC ∴⊥平面PAC .取AP 中点E .连结BE CE ,.AB BP =Q ,BE AP ∴⊥. EC Q 是BE 在平面PAC 内的射影,CE AP ∴⊥.∴△ACE 是△ABE 在平面ACP 内的射影, 于是可求得:2222=+===CB AC AP BP AB ,622=-=AE AB BE ,ABE P ACBP2==EC AE 则1222121=•=•==∆CE AE S S ACE 射, 3622121=•=•==∆EB AE S S ABE 原 设二面角B AP C --的大小为ϑ,则3331cos ===原射S S ϑ ∴二面角B AP C --的大小为33arccos=ϑ 练习4: 如图5,E 为正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的棱CC 1的中点,求平面AB 1E 和底面A 1B 1C 1D 1所成锐角的余弦值.分析 平面AB 1E 与底面A 1B 1C 1D 1交线即二面角的棱没有给出,要找到二面角的平面角,则必须先作两个平面的交线,这给解题带来一定的难度。
考虑到三角形AB 1E 在平面A 1B 1C 1D 1上的射影是三角形A 1B 1C 1,从而求得两个三角形的面积即可求得二面角的大小。
(答案:所求二面角的余弦值为cos θ=32). 五、向量法向量法解立体几何中是一种十分简捷的也是非常传统的解法,可以说所有的立体几何题都可以用向量法求解,用向量法解立体几何题时,通常要建立空间直角坐标系,写出各点的坐标,然后将几何图中的线段写成用坐标法表示的向量,进行向量计算解题。
例4:(2009天津卷理)如图,在五面体ABCDEF 中,FA ⊥平面ABCD, AD//BC//FE ,AB ⊥AD ,M 为EC 的中点,AF=AB=BC=FE=12AD (I) 求异面直线BF 与DE 所成的角的大小; (II) 证明平面AMD ⊥平面CDE ; 求二面角A-CD-E 的余弦值。
现在我们用向量法解答:如图所示,建立空间直角坐标系,以点A 为坐标原点。
设,1=AB 依题意得(),,,001B (),,,011C (),,,020D (),,,110E (),,,100F .21121M ⎪⎭⎫⎝⎛,, A 1D 1B 1C 1EDBCA图5(I )(),,,解:101B F -= (),,,110DE -= .2122100DEBF DE cos =•++==,于是BF所以异面直线B F 与DE 所成的角的大小为060.(II )证明:,,,由⎪⎭⎫ ⎝⎛=21121AM (),,,101CE -= ()0AM CE 020AD =•=,可得,,, .AMD CE A AD AM .AD CE AM CE .0AD CE 平面,故又,因此,⊥=⊥⊥=•I.CDE AMD CDE CE 平面,所以平面平面而⊥⊂(III )⎪⎩⎪⎨⎧=•=•=.0D 0)(CDE E u CE u z y x u ,,则,,的法向量为解:设平面.111(1.00),,,可得令,于是==⎩⎨⎧=+-=+-u x z y z x又由题设,平面ACD 的一个法向量为).100(,,=v练习5、(2008湖北)如图,在直三棱柱111ABC A B C -中,平面ABC ⊥侧面11A ABB . (Ⅰ)求证:AB BC ⊥;(Ⅱ)若直线AC 与平面1A BC 所成的角为θ,二面角1A BC A --的大小为ϕ,试判断θ与ϕ的大小关系,并予以证明.分析:由已知条件可知:平面ABB 1 A 1⊥平面BC C 1 B 1⊥平面ABC 于是很容易想到以B 点为空间坐标原点建立坐标系,并将相关线段写成用坐标表示的向量,先求出二面角的两个半平面的法向量,再利用两向量夹角公式求解。