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第 53 讲 空间向量的概念
1.空间向量及其有关概念
概念 语言描述
共线向量(平行
表示空间向量的有向线段所在的直线互相平行或重合
向量)
共面向量 平行于同一个平面的向量
共线向量定理 对空间任意两个向量 a , b ( b ≠ 0 ) , a ∥ b ⇔ 存在 λ ∈ R ,使 a = λ b
若两个向量a,b不共线,则向量p与向量a,b共面⇔存在唯一的有序
共面向量定理
实数对 ( x , y ) ,使 p = x a + y b
定理:如果三个向量a,b,c不共面,那么对空间任一向量p,存在唯
空间向量基本定 一的有序实数组{x,y,z}使得p=xa+yb+zc.
理及推论
推论:设O,A,B,C是不共面的四点,则对平面ABC内任一点P都存
在唯一的三个有序实数x,y,z,使OP=xOA+yOB+zOC且x+y+z=1
2.数量积及坐标运算
(1)两个空间向量的数量积:①a·b=|a||b|cos〈a,b〉;②a⊥b⇔a·b=0(a,b为非零向量);③
设a=(x,y,z),则|a|2=a2,|a|=.
(2)空间向量的坐标运算:
a=(a,a,a),b=(b,b,b)
1 2 3 1 2 3
向量和 a+b= ( a + b , a + b , a + b)
1 1 2 2 3 3
向量差 a-b= ( a - b , a - b , a - b)
1 1 2 2 3 3
数量积 a·b=ab + ab + ab
1 1 2 2 3 3
共线 a ∥ b ⇒ a = λ b , a = λ b , a = λ b ( λ ∈R , b ≠ 0 )
1 1 2 2 3 3
垂直 a⊥b⇔ab + ab + ab = 0
1 1 2 2 3 3
夹角公式 cos〈a,b〉=
1、在下列命题中:
①若向量a,b共线,则向量a,b所在的直线平行;②若向量a,b所在的直线为异面直线,则向量a,b一定不共面;
③若三个向量a,b,c两两共面,则向量a,b,c共面;
④已知空间的三个向量a,b,c,则对于空间的任意一个向量p总存在实数x,y,z使得p=xa+yb+zc.
其中正确命题的个数是( )
A.0 B.1 C.2 D.3
【答案】: A
【解析】: a与b共线,a,b所在的直线也可能重合,故①不正确;根据自由向量的意义知,空间任意
两向量a,b都共面,故②不正确;三个向量a,b,c中任意两个一定共面,但它们三个却不一定共面,故
③不正确;只有当a,b,c不共面时,空间任意一向量p才能表示为p=xa+yb+zc,故④不正确,综上可
知四个命题中正确的个数为0,故选A.
2、已知向量a=(1,1,0),b=(-1,0,2),且ka+b与2a-b互相垂直,则k的值是( )
A. B.2 C. D.1
【答案】 A
【解析】 因为a=(1,1,0),b=(-1,0,2),
所以a·b=-1,|a|=,|b|=.
又ka+b与2a-b互相垂直,
所以(ka+b)·(2a-b)=0,
即2k|a|2-ka·b+2a·b-|b|2=0,
即4k+k-2-5=0,所以k=.
3、空间四点A(2,3,6),B(4,3,2),C(0,0,1),D(2,0,2)的位置关系为( )
A. 共线 B. 共面
C. 不共面 D. 无法确定
【答案】 C
【解析】 AB=(2,0,-4),AC=(-2,-3,-5),AD=(0,-3,-4).由不存在实数λ,使AB=λAC成
立,知点A,B,C不共线,故点A,B,C,D不共线;假设点A,B,C,D共面,则可设AD=xAB+yAC
(x,y为实数),即由于该方程组无解,故点A,B,C,D不共面,故选C.
4、已知向量m是直线l的方向向量,向量n是平面α的法向量,则“m⊥n”是“l∥α”的( )
A. 充分不必要条件
B. 必要不充分条件
C. 充要条件
D. 既不充分又不必要条件
【答案】 B
【解析】 由l∥α,得m⊥n,所以“m⊥n”是“l∥α”的必要条件;而由m⊥n不一定有l∥α,也可能
l α,故“m⊥n”不是“l∥α”的充分条件.故“m⊥n”是“l∥α”的必要不充分条件.
5、 (2022·镇江高三开学考试)四棱柱ABCD-ABC D 的底面ABCD是边长为1的菱形,侧棱长为2,且
⊂ 1 1 1 1
∠C CB=∠C CD=∠BCD=60°,则线段AC的长度是( )
1 1 1A. B.
C. 3 D.
【答案】 D
【解析】 因为CA1=CA+AA1=CA+CC1=CD+CB+CC1,且∠C CB=∠C CD=∠BCD=60°,所以
1 1
(CA1)2=(CD+CB+CC1)2=|CD|2+|CB|2+|CC1|2+2|CD|×|CB|×cos 60°+2|CD|×|CC1|×cos 60°+2|CB|×|
CC1|×cos 60°=1+1+4+2×+2×2×+2×2×=11,所以|CA1|=,即线段AC的长度是.
1
考向一 空间向量的线性运算
例1 、(1) 已知向量a=(-2,-3,1),b=(2,0,4),c=(-4,-6,2),则下列结论中正确的是
________;(填序号)
①a∥b,a∥c; ②a∥b,a⊥c;③a∥c,a⊥b.
【解析】 因为c=(-4,-6,2)=2(-2,-3,1)=2a,所以a∥c.又a·b=(-2)×2+(-3)×0+1×4
=0,所以a⊥b.
【答案】 ③
(2) 已知a=(2,-1,2),b=(-4,2,x),且a∥b,则x=________.
【解析】 因为a∥b,所以-x=4,即x=-4.
【答案】 -4
(3)在三棱锥O-ABC中,M,N分别是OA,BC的中点,G是△ABC的重心,用向量OA,OB,OC表示
MG,OG.
【解析】 MG=MA+AG=OA+AN
=OA+(ON-OA)
=OA+[(OB+OC)-OA]
=-OA+OB+OC.
OG=OM+MG
=OA-OA+OB+OC
=OA+OB+OC.
变式1、(1)如图所示,在平行六面体ABCD—ABC D 中,M为AC 与BD 的交点.若AB=a,AD=
1 1 1 1 1 1 1 1
b,AA1=c,则向量BM= (用a,b,c表示).
【答案】:-a+b+c
【解析】:BM=BB1+B1M=AA1+(AD-AB)
=c+(b-a)=-a+b+c.
(2)如图,在四面体O-ABC中,OA=a,OB=b,OC=c,D为BC的中点,E为AD的中点,则OE=(用a,b,c表示).
【答案】:a+b+c
【解析】:OE=OA+OD=OA+OB+OC
=a+b+c.
变式2、(多选)(2022·威海调研)如图所示,M是四面体OABC的棱BC的中点,点N在
线段OM上,点P在线段AN上,且AP=3PN,ON=OM,设OA=a,OB=b,OC=
c,则下列等式成立的是( )
A.OM=b-c
B.AN=b+c-a
C.AP=b-c-a
D.OP=a+b+c
【答案】 BD
【解析】 对于A,利用向量的平行四边形法则,OM=OB+OC=b+c,A错误;
对于B,利用向量的平行四边形法则和三角形法则,得AN=ON-OA=OM-OA=-OA=OB+OC-OA=
b+c-a,B正确;
对于C,因为点P在线段AN上,且AP=3PN,所以AP=AN==b+c-a,C错误;
对于D,OP=OA+AP=a+b+c-a=a+b+c,D正确.
方法总结:本题考查空间向量基本定理及向量的线性运算. 用不共面的三个向量作为基向量表示某一
向量时注意以下三点:(1)结合已知和所求向量观察图形,将已知向量和未知向量转化至三角形或平行四边
形中是解题的关键. (2)要正确理解向量加法、减法与数乘运算的几何意义,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,我们把这个法则称为向量加法的多边形法则. (3)在立体
几何中三角形法则、平行四边形法则仍然成立.
考向二 共线、共面向量定理的应用
例2、已知E,F,G,H分别是空间四边形ABCD的边AB,BC,CD,DA的中点.
(1) 求证:E,F,G,H四点共面;
(2) 求证:BD∥平面EFGH;
(3) 设M是EG和FH的交点,求证:对空间任一点O,有OM=(OA+OB+OC+OD).
【解析】 (1) 连接BG,则EG=EB+BG=EB+(BC+BD)=EB+BF+EH=EF+EH,
由共面向量定理的推论,得E,F,G,H四点共面.
(2) 因为EH=AH-AE=AD-AB=(AD-AB)=BD,所以EH∥BD.
又EH 平面EFGH,BD⊄平面EFGH,
所以BD∥平面EFGH.
⊂
(3) 任取一点O,连接OM,OA,OB,OC,OD,OE,OG.由(2),知EH=BD,同理FG=BD,
所以EH=FG,即EH与FG平行且相等,
所以四边形EFGH是平行四边形,
所以EG,FH交于一点M,且被点M平分.
故OM=(OE+OG)=OE+OG
=+
=(OA+OB+OC+OD).
变式1、(多选)(2021·武汉质检)下列说法中正确的是( )
A.|a|-|b|=|a+b|是a,b共线的充要条件
B.若AB,CD共线,则AB∥CD
C.A,B,C三点不共线,对空间任意一点O,若OP=OA+OB+OC,则P,A,B,C四点共面
D.若P,A,B,C为空间四点,且有PA=λPB+μPC(PB,PC不共线),则λ+μ=1是A,B,C三点共线的
充要条件
【答案】 CD
【解析】 由|a|-|b|=|a+b|,可得向量a,b的方向相反,此时向量a,b共线,反之,当向量a,b同向时,
不能得到|a|-|b|=|a+b|,所以A不正确;
若AB,CD共线,则AB∥CD或A,B,C,D四点共线,所以B不正确;
由A,B,C三点不共线,对空间任意一点O,若OP=OA+OB+OC,因为++=1,可得P,A,B,C四
点共面,所以C正确;
若P,A,B,C为空间四点,且有PA=λPB+μPC(PB,PC不共线),当λ+μ=1时,即μ=1-λ,可得PA-
PC=λ(PB+CP),即CA=λCB,所以A,B,C三点共线,反之也成立,即λ+μ=1是A,B,C三点共线的
充要条件,所以D正确.
变式2、已知A,B,C三点不共线,对平面ABC外的任一点O,若点M满足OM=(OA+OB+OC).
(1)判断MA,MB,MC三个向量是否共面;
(2)判断点M是否在平面ABC内.
【解析】 (1)由题知OA+OB+OC=3OM,∴OA-OM=(OM-OB)+(OM-OC),
即MA=BM+CM=-MB-MC,
∴MA,MB,MC共面.
(2)由(1)知,MA,MB,MC共面且基线过同一点M,
∴M,A,B,C四点共面,从而点M在平面ABC内.
变式3、.如图所示,已知斜三棱柱ABC ABC ,点M,N分别在AC 和BC上,且满足AM=kAC1,BN=
1 1 1 1
kBC(0≤k≤1).判断向量MN是否与向量AB,AA1共面.
【解析】∵AM=kAC1,BN=kBC,
∴MN=MA+AB+BN=kC1A+AB+kBC=k(C1A+BC)+AB=k(C1A+B1C1)+AB=kB1A+AB=AB-
kAB1=AB-k(AA1+AB)=(1-k)AB-kAA1,
∴由共面向量定理知向量MN与向量AB,AA1共面.
方法总结:证明空间三点P,A,B共线的方法有:①PA=λPB (λ∈R);
②对空间任一点O,OP=xOA+yOB (x+y=1). 证明空间四点P,M,A,B共面的方法有:①MP=
xMA+yMB;②对空间任一点 O,OP=xOM+yOA+zOB (x+y+z=1);③PM∥AB (或PA∥MB或
PB∥AM). 三点共线通常转化为向量共线,四点共面通常转化为向量共面,线面平行可转化为向量共线、
共面来证明.
考向三 空间向量数量积的应用
例3、 如图所示,四棱柱ABCD-ABC D 中,底面为平行四边形,以顶点A为端点的三条棱长都为1,
1 1 1 1
且两两夹角为60°.
(1)求AC 的长;
1
(2)求证:AC ⊥BD;
1
(3)求BD 与AC夹角的余弦值.
1
【解析】:(1)记AB=a,AD=b,AA1=c,
则|a|=|b|=|c|=1,〈a,b〉=〈b,c〉=〈c,a〉=60°,
∴a·b=b·c=c·a=.
|AC1|2=(a+b+c)2=a2+b2+c2+2(a·b+b·c+c·a)
=1+1+1+2×(++)=6,
∴|AC1|=,即AC 的长为.
1
(2)∵AC1=a+b+c,BD=b-a,
∴AC1·BD=(a+b+c)(b-a)
=a·b+|b|2+b·c-|a|2-a·b-a·c
=b·c-a·c
=|b||c|cos 60°-|a||c|cos 60°=0.
∴AC1⊥BD,∴AC ⊥BD.
1
(3)BD1=b+c-a,AC=a+b,∴|BD1|=,|AC|=,
BD1·AC=(b+c-a)·(a+b)
=b2-a2+a·c+b·c=1.
∴cos〈BD1,AC〉==.
∴AC与BD 夹角的余弦值为.
1
方法总结:空间向量数量积计算的两种方法:(1)基向量法:a·b=|a||b|cos〈a,b〉. (2)坐标法:设a=(x ,
1
y ,z),b=(x ,y ,z),则a·b=xx +yy +zz. 利用向量的数量积可证明线段的垂直关系,也可以利用
1 1 2 2 2 1 2 1 2 1 2
垂直关系,通过向量共线确定点在线段上的位置. 利用夹角公式,可以求异面直线所成的角,也可以求二
面角. 可以通过|a|=,将向量的长度问题转化为向量数量积的问题求解,体现转化与化归的数学思想
考向四 利用空间向量证明平行或垂直
例4 如图,已知AA⊥平面ABC,BB∥AA ,AB=AC=3,BC=2,AA =,BB =2,
1 1 1 1 1
点E和F分别为BC和AC的中点.
1
(1)求证:EF∥平面ABBA;
1 1
(2)求证:平面AEA⊥平面BCB.
1 1
证明 因为AB=AC,E为BC的中点,所以AE⊥BC.
因为AA⊥平面ABC,AA∥BB,
1 1 1
所以过E作平行于BB 的垂线为z轴,EC,EA所在直线分别为x轴, y 轴,建立如图
1
所示的空间直角坐标系.
因为AB=3,BE=,所以AE=2,
所以E(0,0,0),C(,0,0),A(0,2,0),B(-,0,0),B(-,0, 2),A(0,2,),
1 1
则F.
(1)EF=,AB=(-,-2,0),AA1=(0,0,).
设平面ABBA的一个法向量为n=(x,y,z),
1 1
则所以
取所以n=(-2,,0).
因为EF·n=×(-2)+1×+×0=0,
所以EF⊥n.
又EF⊄平面ABBA,
1 1
所以EF∥平面ABBA.
1 1(2)因为EC⊥平面AEA,
1
所以EC=(,0,0)为平面AEA 的一个法向量.
1
又EA⊥平面BCB,
1
所以EA=(0,2,0)为平面BCB 的一个法向量.
1
因为EC·EA=0,所以EC⊥EA,
故平面AEA⊥平面BCB.
1 1
变式1、在如图所示的长方体ABCD-ABC D 中,底面ABCD是边长为2的正方形,O为AC与BD的交
1 1 1 1
点,BB=,M是线段BD 的中点.求证:
1 1 1
(1) BM∥平面DAC;
1
(2) DO⊥平面ABC.
1 1
【解析】 (1) 以D为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,则 O(1,1,0),D(0,0,),
1
B(2,2,0),M(1,1,),
所以OD1=(-1,-1,),BM=(-1,-1,),
所以OD1=BM.
又因为OD 与BM不共线,
1
所以OD ∥BM.
1
又OD 平面DAC,BM⊄平面DAC,
1 1 1
所以BM∥平面DAC.
⊂ 1
(2) 连接OB,点B(2,2,),A(2,0,0),C(0,2,0).
1 1
因为OD1·OB1=(-1,-1,)·(1,1,)=0,OD1·AC=(-1,-1,)·(-2,2,0)=0,
所以OD1⊥OB1,OD1⊥AC,
即OD ⊥OB,OD ⊥AC.
1 1 1
又OB∩AC=O,OB 平面ABC,AC 平面ABC,
1 1 1 1
所以DO⊥平面ABC.
1 1 ⊂ ⊂
变式2、 如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长为a的正方形,侧面PAD⊥底面ABCD,且PA
=PD=AD,设E,F分别为PC,BD的中点.求证:
(1) EF∥平面PAD;
(2) 平面PAB⊥平面PDC.【解析】 (1) 如图,取AD的中点O,连接OP,OF.
因为PA=PD,所以PO⊥AD.
因为侧面PAD⊥底面ABCD,平面PAD∩平面ABCD=AD,PO 平面PAD,
所以PO⊥平面ABCD.
⊂
又O,F分别为AD,BD的中点,
所以OF∥AB.
又四边形ABCD是正方形,所以OF⊥AD.
因为PA=PD=AD,
所以PA⊥PD,OP=OA=.
以O为坐标原点,OA,OF,OP所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,
则A,F,D,P,B,C.
因为E为PC的中点,所以E.
易知平面PAD的一个法向量为OF=.
因为EF=,且OF·EF=·=0,
所以OF⊥EF,所以EF∥平面PAD.
(2) 因为PA=,CD=(0,-a,0),
所以PA·CD=·(0,-a,0)=0,
所以PA⊥CD,所以PA⊥CD.
又PA⊥PD,PD∩CD=D,PD 平面PDC,CD 平面PDC,
所以PA⊥平面PDC.
⊂ ⊂
又PA 平面PAB,
所以平面PAB⊥平面PDC.
⊂
1、如图所示,在平行六面体ABCD-ABC D 中,M为AC 与BD 的交点.若AB=
1 1 1 1 1 1 1 1
a,AD=b,AA1=c,则下列向量中与BM相等的向量是( )
A.-a+b+c B.a+b+c
C.-a-b+c D.a-b+c【答案】 A
【解析】 BM=BB1+B1M=AA1+(AD-AB)=c+(b-a)=-a+b+c.
2、已知a=(1,0,1),b=(x,1,2),且a·b=3,则向量a与b的夹角为( )
A. B. C. D.
【答案】: D
【解析】: ∵a·b=x+2=3,∴x=1,∴b=(1,1,2),
∴cos〈a,b〉===,
又∵〈a,b〉∈[0,π],∴a与b的夹角为,故选D.
3、(多选)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).下列结论正确的有( )
A.AP⊥AB
B.AP⊥AD
C.AP是平面ABCD的一个法向量
D.AP∥BD
【答案】ABC
【解析】对于A,AB·AP=2×(-1)+(-1)×2+(-4)×(-1)=0,∴AP⊥AB,即AP⊥AB,A正确;对于
B,AP·AD=(-1)×4+2×2+(-1)×0=0,∴AP⊥AD,即AP⊥AD,B正确;对于C,由AP⊥AB,且
AP⊥AD,得出AP是平面ABCD的一个法向量,C正确;对于 D,由AP是平面ABCD的法向量,得出
AP⊥BD,则D错误.故选A、B、C.
4、(多选)已知ABCDABC D 为正方体,下列说法中正确的是( )
1 1 1 1
A.(A1A+A1D1+A1B1)2=3(A1B1)2
B.A1C·(A1B1-A1A)=0
C.向量AD1与向量A1B的夹角是60°
D.正方体ABCDABC D 的体积为|AB·AA1·AD|
1 1 1 1
【答案】AB
【解析】由向量的加法得到:A1A+A1D1+A1B1=A1C,∵AC2=3AB,∴(A1C)2=3(A1B1)2,所以A正确;
1 1
∵A1B1-A1A=AB1,AB⊥AC,∴A1C·AB1=0,故B正确;∵△ACD 是等边三角形,∴∠ADC=60°,又
1 1 1 1
AB∥DC,∴异面直线AD 与AB所成的角为60°,但是向量AD1与向量A1B的夹角是120°,故C不正确;
1 1 1 1
∵AB⊥AA,∴AB·AA1=0,故|AB·AA1·AD|=0,因此D不正确.故选A、B.
1
5、如图,正方形ABCD与矩形ACEF所在平面互相垂直,AB=,AF=1,M在EF上,
且AM∥平面BDE.则M点的坐标为( )
A.(1,1,1) B.
C. D.【答案】 C
【解析】 设 AC 与 BD 相交于 O 点,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.
在空间直角坐标系中,E(0,0,1),F(,,1),
由中点坐标公式,知点M的坐标.
6、.如图,已知四棱柱ABCD-ABC D 的底面ABC D 为平行四边形,E为棱AB
1 1 1 1 1 1 1 1
的中点,AF=AD,AG=2GA1,AC 与平面EFG交于点M,则=________.
1
【答案】
【解析】 由题图知,设AM=λAC1(0<λ<1),
由已知AC1=AB+AD+AA1
=2AE+3AF+AG,
所以AM=2λAE+3λAF+AG.
因为M,E,F,G四点共面,所以2λ+3λ+=1,解得λ=.
7、.(2022·石家庄质检)如图,棱柱ABCD-ABC D 的所有棱长都等于2,∠ABC和
1 1 1 1
∠AAC均为60°,平面AAC C⊥平面ABCD.
1 1 1
(1)求证:BD⊥AA;
1
(2)在直线CC 上是否存在点P,使BP∥平面DAC ?若存在,求出点P的位置,若不
1 1 1
存在,请说明理由.
(1)证明 设BD与AC交于点O,
则BD⊥AC.连接AO,
1
在△AAO中,AA=2,AO=1,∠AAO=60°,
1 1 1
所以AO2=AA+AO2-2AA·AOcos 60°=3,
1 1
所以AO2+AO2=AA,所以AO⊥AO.
1 1
由于平面AAC C⊥平面ABCD,
1 1
且平面AAC C∩平面ABCD=AC,
1 1
AO 平面AAC C,
1 1 1
所以⊂A
1
O⊥平面ABCD.
以OB,OC,OA 所在直线分别为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
1则A(0,-1,0),B(,0,0),C(0,1,0),
D(-,0,0),A(0,0,),C (0,2,).
1 1
由于BD=(-2,0,0),AA1=(0,1,),AA1·BD=0×(-2)+1×0+×0=0,
所以BD⊥AA1,即BD⊥AA.
1
(2)解 假设在直线CC 上存在点P,
1
使BP∥平面DAC ,
1 1
设CP=λCC1,P(x,y,z),
则(x,y-1,z)=λ(0,1,),
从而有P(0,1+λ,λ),
BP=(-,1+λ,λ).
又A1C1=(0,2,0),DA1=(,0,),
设平面DAC 的一个法向量为
1 1
n=(x,y,z),
3 3 3 3
则
则取n=(1,0,-1).
3
因为BP∥平面DAC ,所以n⊥BP,
1 1 3
即n·BP=--λ=0,解得λ=-1,
3
即点P在C C的延长线上,且CP=CC .
1 1