当前位置:首页>文档>第53讲空间向量的概念(解析版)_2.2025数学总复习_2024年新高考资料_1.2024一轮复习_2024年高考数学一轮复习精品导学案(新高考)

第53讲空间向量的概念(解析版)_2.2025数学总复习_2024年新高考资料_1.2024一轮复习_2024年高考数学一轮复习精品导学案(新高考)

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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