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立体几何中有一大类问题是度量问题,如长度(距离)、垂直、夹角等的计算或者证明,这些度量问题都可以通过向量的内积来解决,使得这些立体几何中的定理公式推导大为简化。特别是点与点的距离、点到直线、点到平面的距离、异面直线间的距离、直线与直线、直线与平面的垂直判定、两条直线(包括异面直线)的夹角、直线与平面的夹角、二面角等,运用向量解决上述问题时解法简洁、漂亮、独特,本文试举几例说明。
一、求距离
例1:已知在正方体ABCD-A1B1C1D1中,棱长为2a,E为BC的中点,求点A到B1D1E平面的距离。
解:以点D1为原点建立空间直角坐标系,则■=(2a,2a,0),■=(a,2a,2a),■=(2a,0,2a)设平面B1D1E的平面法向量为n(x,y,z),则■·■=0(1)■·■=0 (2)由(1),(2)得■(x,-x,■x)
d=■ 即点A到面的距离为2a.
二、证垂直
例2:已知a,b是 异面直线,其公垂线段为AB,点P,Q分别在a,b上运动,M,N分别为AB,PQ的中点,求证AB⊥MN.
证明:设A(x1,y1),B(x2,y2),则P(λ1x1,λ1y1),Q(λ2x2,λ2y2)
∴■=((λ1-1)x1,(λ1-1)y1),BQ=((λ2-1)x2,(λ2-1)y2)
∴■=(■,■),■=(x2-x1,y2-y1)
∵■·■=0∴(λ1-1)x1·(x2-x1)+(λ1-1)y1·(y2-y1)=0 (1)
∵BQ·AB=0∴(λ2-1)x2·(x2-x1)+(λ2-1)y2·(y2-y1)=0 (2)
而AB·MN=0∴AB⊥MN。
注:证垂直的方法很多,常常需要借助辅助线或特殊图形来证明,论证烦琐或运算麻烦,用向量证明,简单快捷。
三、求夹角
例3:已知平行六面体ABCD-A1B1C1D1的底面ABCD是菱形,且∠C1CB=∠C1CD=∠BCD=60°,假定CD=2,CC1=■,记面C1BD为α,面CBD为β,求二面角α-BD-β的平面角的余弦值。
解:连结AC,BD,设AC∩BD=O,连结OC1,由已知条件易知∠C1OC为二面角α-BD-β的平面角。设■=■,■=■,■=■。
∵■=■(■+■)C1O=■(■+■)-■■=■,■=■
∴■·■=■(■+■)·[■(■+■)-■]=■
∴cos∠C1OC=■=■
注:用传统解法求夹角需要作出(或证明)某个平面角为其所求的角,而用向量求解时,只要求出两向量再用向量夹角公式cosθ=■求解即可。
纵观以上例题可以看到,立体几何题的向量解法较多地集中于向量数量积的应用,它避开了作平移及繁杂的运算,将对空间想象力较高要求的考题转为简单的向量运算。由于向量融数形于一体,具有代数的抽象与严谨和几何的直观。用向量知识解决几何问题的意识,也达到了提高探索和创新能力的目的,因此这也是现代立体几何改革的热点之一。形于一体,具有代数的抽象与严谨和几何的直观。用向量知识解决几何问题的意识,也达到了提高探索和创新能力的目的,因此这也是现代立体几何改革的热点之一。
一、求距离
例1:已知在正方体ABCD-A1B1C1D1中,棱长为2a,E为BC的中点,求点A到B1D1E平面的距离。
解:以点D1为原点建立空间直角坐标系,则■=(2a,2a,0),■=(a,2a,2a),■=(2a,0,2a)设平面B1D1E的平面法向量为n(x,y,z),则■·■=0(1)■·■=0 (2)由(1),(2)得■(x,-x,■x)
d=■ 即点A到面的距离为2a.
二、证垂直
例2:已知a,b是 异面直线,其公垂线段为AB,点P,Q分别在a,b上运动,M,N分别为AB,PQ的中点,求证AB⊥MN.
证明:设A(x1,y1),B(x2,y2),则P(λ1x1,λ1y1),Q(λ2x2,λ2y2)
∴■=((λ1-1)x1,(λ1-1)y1),BQ=((λ2-1)x2,(λ2-1)y2)
∴■=(■,■),■=(x2-x1,y2-y1)
∵■·■=0∴(λ1-1)x1·(x2-x1)+(λ1-1)y1·(y2-y1)=0 (1)
∵BQ·AB=0∴(λ2-1)x2·(x2-x1)+(λ2-1)y2·(y2-y1)=0 (2)
而AB·MN=0∴AB⊥MN。
注:证垂直的方法很多,常常需要借助辅助线或特殊图形来证明,论证烦琐或运算麻烦,用向量证明,简单快捷。
三、求夹角
例3:已知平行六面体ABCD-A1B1C1D1的底面ABCD是菱形,且∠C1CB=∠C1CD=∠BCD=60°,假定CD=2,CC1=■,记面C1BD为α,面CBD为β,求二面角α-BD-β的平面角的余弦值。
解:连结AC,BD,设AC∩BD=O,连结OC1,由已知条件易知∠C1OC为二面角α-BD-β的平面角。设■=■,■=■,■=■。
∵■=■(■+■)C1O=■(■+■)-■■=■,■=■
∴■·■=■(■+■)·[■(■+■)-■]=■
∴cos∠C1OC=■=■
注:用传统解法求夹角需要作出(或证明)某个平面角为其所求的角,而用向量求解时,只要求出两向量再用向量夹角公式cosθ=■求解即可。
纵观以上例题可以看到,立体几何题的向量解法较多地集中于向量数量积的应用,它避开了作平移及繁杂的运算,将对空间想象力较高要求的考题转为简单的向量运算。由于向量融数形于一体,具有代数的抽象与严谨和几何的直观。用向量知识解决几何问题的意识,也达到了提高探索和创新能力的目的,因此这也是现代立体几何改革的热点之一。形于一体,具有代数的抽象与严谨和几何的直观。用向量知识解决几何问题的意识,也达到了提高探索和创新能力的目的,因此这也是现代立体几何改革的热点之一。