高三数学理科二轮复习同步练习 2-3-22三角函数、平面向量、立体几何、概率与统计型解答题

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高考专题训练二十二 三角函数、平面向量、立体几何、概率与统计型解答题 班级_______ 姓名_______ 时间:45分钟 分值:50分 总得分________

1.(12分)已知函数f(x)=2sin13x-π6,x∈R. (1)求f5π4的值; (2)设α,β∈0,π2,f3α+π2=1013,f(3β+2π)=65,求cos(α+β)的值. 分析:本题考查运用三角公式化简求值.(1)f(x)的解析式已给出,

求f5π4即可;(2)先化简f3α+π2=1013,f(3β+2π)=65,再结合α,β∈

0,

π

2求cosα与sinβ,代入即得cos(α+β)的值.

解:(1)∵f(x)=2sin13x-π6, ∴f5π4=2sin5π12-π6=2sinπ4=2. (2)∵α,β∈0,π2,f3α+π2=1013,f(3β+2π)=65, ∴2sinα=1013,2sinβ+π2=65,即sinα=513,cosβ=35, ∴cosα=1213,sinβ=45, ∴cos(α+β)=cosαcosβ-sinαsinβ=1213×35-513×45=1665. 2.(12分)(2011·重庆卷)如图,在四面体ABCD中,平面ABC⊥平面ACD,AB⊥BC,AD=CD,∠CAD=30°. (1)若AD=2,AB=2BC,求四面体ABCD的体积; (2)若二面角C-AB-D为60°,求异面直线AD与BC所成角的余弦值. 分析:本小题主要考查面面垂直的性质、四面体的体积计算公式、二面角的意义与异面直线所成的角的意义及求法.在具体处理过程中,可围绕线面垂直的性质定理去考虑,从而添加相关的辅助线,由此求得相关几何体的体积;在求异面直线所成的角的过程中,注意根据异面直线所成角的意义,考虑平移其中一条或两条直线,从而将问题转化为求两条相交直线的夹角问题.也可考虑通过建立坐标系的方式解决相关问题. 解:(1)如图所示,设F为AC中点,连接FD,由于AD=CD,所以DF⊥AC.又由平面ABC⊥平面ACD,知DF⊥平面ABC,即DF是四面体ABCD的面ABC上的高,且DF=ADsin30°=1,AF=ADcos30°=3. 在Rt△ABC中,因AC=2AF=23,AB=2BC,由勾股定理易

知BC=2155,AB=4155. 故四面体ABCD的体积V=13·S△ABC·DF=13×12×4155×2155=45.

(2)解法一:如图所示,设G,H分别与边CD,BD的中点,则FG∥AD,GH∥BC,从而∠FGH是异面直线AD与BC所成的角或其补角. 设E为边AB的中点,则EF∥BC,由AB⊥BC,知EF⊥AB.又由(1)知DF⊥平面ABC,故由三垂线定理知DE⊥AB.所以∠DEF为二面角C-AB-D的平面角.由题设知 ∠DEF=60°.

设AD=a,则DF=AD·sin∠CAD=a2.

在Rt△DEF中,EF=DF·cot∠DEF=a2·33=36a, 从而GH=12BC=EF=36a. 因Rt△ADE≌△BDE,故BD=AD=a, 从而,在Rt△BDF中,FH=12BD=a2.

又FG=12AD=a2,从而在△FGH中,因FG=FH,由余弦定理得 cos∠FGH=FG2+GH2-FH22FG·GH=GH2FG=36. 因此,异面直线AD与BC所成角的余弦值为36. 解法二:如图所示,过F作FM⊥AC,交AB于M,已知AD=CD,平面ABC⊥平面ACD,易知FC,FD,FM两两垂直.以F为原点,射线FM,FC,FD分别为x轴,y轴,z轴的正半轴,建立空间直角坐标系F-xyz. 不妨设AD=2,由CD=AD,∠CAD=30°,易知点A,C,D的

坐标分别为A(0,-3,0),C(0,3,0),D(0,0,1),则AD→=(0,3,1). 显然向量k=(0,0,1)是平面ABC的一个法向量. 已知二面角C-AB-D为60°,故可取平面ABD的一个单位法向

量n=(l,m,n),使得〈n,k〉=60°,从而n=12.

由n⊥AD→,有3m+n=0,从而m=-36. 由l2+m2+n2=1,得l=±63. 设点B的坐标为B(x,y,0),由AB→⊥BC→,n⊥AB→,取l=63,有

 x2+y2=3,63x-36y+3=0,

解之得, x=469,y=739

或 x=0,y=-3(舍去). 易知l=-63与坐标系的建立方式不合,舍去. 因此点B的坐标为469,739,0.所以CB→ =469,-239,0.从而cos〈AD→,CB→〉=AD→·CB→|AD→||CB→|=3×

-23

9

3+1× 4692+

-23

92

=-36.

故异面直线AD与BC所成的角的余弦值为36. 3.(13分)(2011·浙江卷)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)在线段AP上是否存在点M,使得二面角A-MC-B为直二面角?若存在,求出AM的长;若不存在,请说明理由. 分析:此题主要考查了线线位置关系和二面角的求解,对(1)问线线垂直的证明易入手,利用线面垂直即可进行证明;对(2)问可采用空间直角坐标向量法进行处理;解题时对(2)问要注意恰当建立坐标系,恰当设参数,从而有效快速求解. 解:方法一:(1)如图,以O为原点,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),

AP→=(0,3,4),BC→=(-8,0,0),由此可得AP→·BC→=0,所以AP→⊥BC→,即AP⊥BC. (2)设PM→=λPA→,λ≠1,则PM→=λ(0,-3,-4). BM→=BP→+PM→=BP→+λPA→= (-4,-2,4)+λ(0,-3,-4)=(-4,-2-3λ,4-4λ),

AC→=(-4,5,0),BC→=(-8,0,0). 设平面BMC的法向量n1=(x1,y1,z1), 平面APC的法向量n2=(x2,y2,z2).

由 BM→·n1=0,BC→·n1=0,

得 -4x1-2+3λy1+4-4λz1=0,-8x1=0, 即 x1=0,z1=2+3λ4-4λy1,可取n1=0,1,2+3λ4-4λ.

由 AP→·n2=0,AC→·n2=0,即 3y2+4z2=0,-4x2+5y2=0, 得 x2=54y2,z2=-34y2,可取n2=(5,4,-3). 由n1·n2=0,得4-3·2+3λ4-4λ=0, 解得λ=25,故AM=3. 综上所述,存在点M符合题意,AM=3. 方法二:(1)由AB=AC,D是BC的中点,得AD⊥BC. 又PO⊥平面ABC,得PO⊥BC. 因为PO∩AD=O,所以BC⊥平面PAD, 故BC⊥PA. (2)如图,在平面PAB内作BM⊥PA于M,连接CM. 由(1)中知PA⊥BC,得AP⊥平面BMC. 又AP⊂平面APC,所以平面BMC⊥平面APC. 在Rt△ADB中,AB2=AD2+BD2

=41,得AB=41. 在Rt△POD中,PD2=PO2+OD2, 在Rt△PDB中,PB2=PD2+BD2, 所以PB2=PO2+OD2+DB2=36,得PB=6. 在Rt△POA中,PA2=AO2+OP2=25,得PA=5.

又cos∠BPA=PA2+PB2-AB22PA·PB=13, 从而PM=PBcos∠BPA=2,所以AM=PA-PM=3. 综上所述,存在点M符合题意,AM=3. 4.(13分)学校游园活动有这样一个游戏项目:甲箱子里装有3个白球,2个黑球,乙箱子里装有1个白球,2个黑球, 这些球除颜色外完全相同,每次游戏从这两个箱子里各随机摸出2个球,若摸出的白球不少于2个,则获奖.(每次游戏结束后将球放回原箱). (1)求在1次游戏中; (ⅰ)摸出3个白球的概率; (ⅱ)获奖的概率; (2)求在2次游戏中获奖次数X的分布列及数学期望E(X). 解:(1)(ⅰ)设“在1次游戏中摸出i个白球”为事件Ai=(i=0,1,2,3),则

P(A3)=C23C25·C12C23=15. (ⅱ)设“在1次游戏中获奖”为事件B,则B=A2∪A3.又P(A2)=C23C25·C22C23+C13C12C25·C12C23=12.

且A2,A3互斥,所以P(B)=P(A2)+P(A3)=12+15=710. (2)由题意可知X的所有可能取值为0,1,2. P(X=0)=1-7102=9100. P(X=1)=C127101-710=2150. P(X=2)=7102=49100. 所以X的分布列是 X 0 1 2

P 9100 2150 49100

X的数学期望E(X)=0×9100+1×2150+2×49100=75.