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文檔簡介
第六節(jié)空間向量與立體幾何
一、空間向量的線性運算
【知識點1】空間向量的概念
(1)在空間,把具有大小和方向的量叫做空間向量,向量的大小叫做向量的長度或模.
空間向量也用有向線段表示,有向線段的長度表示向量的模,向量〃的起點是力,終點
是8,則向量。也可記作石,其模記為⑷或|的
(2)幾類特殊的空間向量
定義及表示
起點與終點重合的向量叫做零向量,記為0
模為1的向量稱為單位向量
aE度相等而方向相反的向量,稱為〃的相反向量,記為一4
同」L模相等的向量稱為相等向量,同向且等長的有向線段表
向E片或相等向量
段,f在的直線叫做向量的基線.如果空間中一些向量的基線
行51重合,則這些向量叫做共線向量或平行向量
【例1】(有關空間向量的概念的理解)給出以下結論:
①兩個空間向量相等,則它們的起點和終點分別相同;②若空間向量。,b滿足|M=I外則。
=6;③在正方體/BCD—中,必有就=47;④若空間向量如n,p滿足加=
n,n=p,則/n=p.其中不正確的個數(shù)是()
A.1B.2C.3D.4
【反思】在空間中,向量、向量的模、相等向量的概念和平面中向量的相關概念完全一致,
兩向量相等的充要條件是兩個向量的方向相同、模相等.兩向量互為相反向量的充要條件是
大小相等,方向相反.
【訓練1】在平行六面體中,下列四對向量:①就與不?;②否*與瓦彳;
③4D1與C0;④//與B[C.其中互為相反向量的有n對,則n等于()
A.1B.2C.3
【訓I練2】如圖,在長方體/BCD—HB'CD'中,AB=3,AD=2,AA'=1,則分別
以長方體的頂點為起點和終點的向量中:
①單位向量共有多少個?
②試寫出模為木的所有向量.
③試寫出與向量感相等的所有向量.
④試寫出向量44'的所有相反向量.
【知識點2】空間向量的加減運算及運算律
(1)類似于平面向量,可以定義空間向量的加法和減法運算.
(^=OA+AB=a+b,CA=O4-0C=a-b.
(2)空間向量加法交換律a+b=b+a,
空間向量加法結合律(a+b)+c=a+(6+c).
【例2】(空間向量的加減運算)如圖,已知長方體B'CD',化簡下列向量表
達式,并在圖中標出化簡結果的向量.
(l)AA'-CB-,
(2)AT+AB+B'C'
(3)化簡4r+A'B'+B'C'+C7*/.
[反思]空間向量加法、減法運算的兩個技巧
(1)巧用相反向量:向量加減法的三角形法則是解決空間向量加法、減法運算的關鍵,靈活應
用相反向量可使向量間首尾相接.
(2)巧用平移:利用三角形法則和平行四邊形法則進行向量的加法運算時,務必要注意和向
量、差向量的方向,必要時可采用空間向量的自由平移獲得更準確的結果.
【訓練3】在如圖所示的平行六面體中,求證:AC+AB'+AD'=2AC'.
【知識點3】數(shù)乘向量運算
(1)實數(shù)與向量的積
與平面向量一樣,實數(shù)2與空間向量a的乘積Xa仍然是一個向量,稱為向量的數(shù)乘運
算,記作癡,其長度和方向規(guī)定如下:
①|(zhì)阿=|即磯
②當A0時,癡與向量q方向相同;當時,(與向量a方向相反;當2=0時,Xa
=0.
(2)空間向量數(shù)乘運算滿足以下運算律
①從ua)=a〃)a;
②/(〃+〃)=加+勸.
【例3】如圖所示,在平行六面體/BCD—中,^AA=a,通=b,AD=c,M,N,
P分別是BC,CQ]的中點,試用a,b,c表示以下各向量:
B
(1源;(2)ypV;(3)加+說「
【反思】利用數(shù)乘運算進行向量表示的技巧
(1)數(shù)形結合:利用數(shù)乘運算解題時,要結合具體圖形,利用三角形法則、平行四邊形法則,
將目標向量轉化為已知向量.
(2)明確目標:在化簡過程中要有目標意識,巧妙運用中點性質(zhì).
【訓練4】如圖,在空間四邊形04BC中,M,N分別是對邊。4,3C的中點,點G在ACV
上,且MG=2GN,如圖所示,記。4=",OB=b,OC=c,試用向量。,b,c表示向量OG.
【思考1】如圖所示,已知空間四邊形/8Q),連接/C,BD,EF,點、E,F,G分別是8C,
CD,。臺的中點,請化簡
(i)iB+ic+cb;
(2)AB+GD+EC,并標出化簡得到的向量.
【思考2】如圖所示,在平行六面體力5C。一[中,。是耳。]的中點,若時=%小
+yOC1,則x,歹的值分別為多少?
二'空間向量的基本定理
【知識點4】共線向量定理
共線向量定理:
兩個空間向量a,b(bWO),Wb的充要條件是存在唯一的實數(shù)x,使a=M.
【例1】⑴已知向量a,b,且花=a+2。,BC=~5a+6b,CD=7a-2b,則一定共線的三
點是()
A.A,B,DB.A,B,C
C.B,C,DD.A,C,D
(2)設e2是空間兩個不共線的向量,已知凝=4+校2,iC=5^+4e2,DC=-e-2e2,
且/,B,。三點共線,實數(shù)%=.
【反思】(1)判斷向量共線的策略
①熟記共線向量的充要條件:(i)若a〃〃,bWO,則存在唯一實數(shù)力使a=勸;(ii)若存在
唯一實數(shù)人使。=幼,bWO,則。〃無
②判斷向量共線的關鍵:找到實數(shù)九
(2)證明空間三點共線的三種思路
對于空間三點尸,A,5可通過證明下列結論來證明三點共線.
①存在實數(shù)九使法=力兩成立.
②對空間任一點O,有。>=%+弟QGR).
③對空間任一點。,有法=x^l+y亦(x+y=l).
【練習1】如圖所示,在正方體48CD-44C]。]中,E在/々]上,且4為=2防],尸在對
角線4c上,且4>=|反7.
求證:E,F,3三點共線.
【知識點5】共面向量定理
2.向量共面的條件
(1)向量a平行于平面a的定義
已知向量作晶=a,如果a的基線OA平行于平面a或在a內(nèi),則就說向量a平行于
平面a,記作a//a.
(2)共面向量的定義
平行于同一平面的向量,叫做共面向量.
(3)共面向量定理
如果兩個向量。,6不共線,則向量c與向量”,共面的充要條件是存在唯一的一對實
數(shù)x,y,使c=xa+yb.
【例2】如圖所示,已知平行四邊形4BCZ),過平面/C外一點。作射線CM,OB,OC,
0D,在四條射線上分別取點E,F,G,H,并且使籌=您=察=累=左,求證:E,F,
UAUDC7CUL)
G,〃四點共面.
【反思】(1)利用四點共面求參數(shù)
向量共面的充要條件的實質(zhì)是共面的四點中所形成的兩個不共線的向量一定可以表示其他
向量,對于向量共面的充要條件,不僅會正用,也要能夠逆用它求參數(shù)的值.
(2)證明空間向量共面或四點共面的方法
①向量表示:設法證明其中一個向量可以表示成另兩個向量的線性組合,即若夕=xa+功,
則向量p,a,b共面.
②若存在有序?qū)崝?shù)組(%,y,z)使得對于空間任一點O,有。昂+z02,且x+y+
z=l成立,則P,A,B,。四點共面.
③用平面:尋找一個平面,設法證明這些向量與該平面平行.
【練習2】已知4,B,C三點不共線,平面N8C外一點跖滿足血=g①+;協(xié)+1歷,
判斷疝,MB,慶三個向量是否共面.
【練習3】已知n,B,C三點不共線,對平面4BC外一點。,當5>=2為一無一災時,
點尸是否與/,B,C共面?并給出證明.
【知識點6】空間向量分解定理
1.空間向量分解定理
如果三個向量a,b,C不共面,那么對空間任一向量R,存在一個唯一的有序?qū)崝?shù)組X,
y,z,使p=xa+油+zc.
2.基底
如果三個向量〃,b,c是三個不共面的向量,則〃,b,c的線性組合x〃+y〃+zc能生成
所有的空間向量,這時小b,c叫做空間的一個基底,記作{訪b,c},其中〃,4c都
叫做基向量.表達式功+zc,叫做向量〃,b,C的線性表示式或線性組合.
【例3】如圖所示,在平行六面體48co—卬B'CD'中,嘉=a,AD^b,AA'=c,
P是C⑷的中點,初是CD'的中點,N是C'。'的中點,點。在C4'上,且C0:。卬
=4:1,用基底{〃,b,c}表示以下向量.
(1)芥;(2)施;(3M7V;(4)AQ.
A'D'
【反思】用基底表示向量的步驟
(1)定基底:根據(jù)已知條件,確定三個不共面的向量構成空間的一個基底.
(2)找目標:用確定的基底(或已知基底)表示目標向量,需要根據(jù)三角形法則及平行四邊形法
則,結合相等向量的代換、向量的運算進行變形、化簡,最后求出結果.
(3)下結論:利用空間向量的一個基底{a,b,c}可以表示出空間所有向量.表示要徹底,結
果中只能含有a,b,c,不能含有其他形式的向量.
【練習4】如圖所示,空間四邊形O/8C中,G,H分別是△4BC,△OBC的重心,設宓=
a,OB=b,OC=c.試用向量。,b,c表示向量G〃.
【方法小結】
1.四點尸,A,B,C共面O對空間任意一點O,^OP=xQA^yOB+zOC,且x+y+z=
1.
2.。>=晶+.匕而+),病稱為空間平面ABC的向量表達式.由此可知空間中任意平面由空間
一點及兩個不共線向量唯一確定.
3.證明(或判斷)三點N,B,C共線時,只需證明存在實數(shù)九使養(yǎng)=施(或盛即可,
也可用“對空間任意一點。,有歷=1①+(1一伏克”來證明三點4,B,C共線.
4.空間一點P位于平面M45內(nèi)的充要條件是存在有序?qū)崝?shù)對(x,y),]kMP=xMA+yMB,
滿足這個關系式的點都在平面M43內(nèi);反之,平面M43內(nèi)的任一點都滿足這個關系式.這
個充要條件常用于證明四點共面.
【思考1】已知點E,F,G,〃分別是空間四邊形4BC£>的邊BC,CD,的中點.
⑴證明:E,F,G,〃四點共面;
(2)證明:平面EFG/A
【練習5]已知O,A,B,C,D,E,F,G,H為空間的9個點(如圖所示),并且應=比應,
OF=kOB,OH=kOD,AC=M)+mAB,EG=EH+mEF.
求證:(1)4,B,C,。四點共面,E,F,G,〃四點共面;
(2)AC//EG.
三'兩個向量的數(shù)量積
【知識點7】兩個向量的數(shù)量積
L兩個向量的夾角
(1)定義:已知兩個非零向量a,b,在空間任取一點O,作為=.,而=b,則NZO3叫
做向量。與b的夾角,記作〈°,加.
(2)范圍:〈a,b)e[0,7i].特別地:當〈eb〉=1時,a±b.
2.兩個向量的數(shù)量積
(1)定義:已知兩個非零向量a,b,則同步|cos〈a,b〉叫做小〃的數(shù)量積(或內(nèi)積),記作
ab.
(2)數(shù)量積的運算律
數(shù)量積的結合律(Aa)b=M(rb)
換律ab=ba
配律(a+byc=ac-\-bc
(3)兩個向量的數(shù)量積的性質(zhì)
,5是非零向量,貝!J〃力=0
與〃同向,則與力=|葉例;若反向,則°6=—⑷?網(wǎng).
地,〃”=同2或同=班^
d'b
為a,6的夾角,則cosd=w
WQ卜網(wǎng)-------------
【類型一】空間向量的數(shù)量積運算
【例1】(1)下列命題是否正確?正確的請給出證明,不正確的給予說明.
?pi-qi=(pq)2-
②:+夕卜口一4|=底一①|(zhì);
③若a與(。心)十一(。/)力均不為0,則它們垂直.
(2)設。={a,b)=120°,\a\=3,\b\=4,求:
?a-b;?(3?-2/>)-(a+2/l).
【反思】(1)已知a,力的模及。與6的夾角,直接代入數(shù)量積的公式計算.
(2)如果欲求的是關于a與5的多項式形式的數(shù)量積,可以先利用數(shù)量積的運算律將多項式
展開,再利用及數(shù)量積公式進行計算.
【練習1】已知a,b均為單位向量,它們的夾角為60。,那么3bl等于()
A.>/7B.^'TOC.gD.4
【例2】已知長方體/BCD—中,AB=AA=2,40=4,E為側面/罵的中心,F
為4與的中點.試計算:
WBC-EDl;Q)加福;^EFFCV
【反思】兩向量的數(shù)量積,其運算結果是數(shù)量,而不是向量.零向量與任意向量的數(shù)量積為
0.向量的數(shù)量積不滿足結合律.
【練習2】已知正四面體ON8C的棱長為1,求:
(1)(04+05)必+曲;
(2)|d^+OB+(9C|.
【類型二】利用數(shù)量積求夾角或模
【例3】已知班J平面/5C,且△42C是48=90。的等腰直角三角形,口4昉乩,口BB£C
的對角線都分別相互垂直且相等,若4B=a,求異面直線A4,與/C所成的角.
【反思】利用向量求異面直線夾角的方法
【練習3】如圖,在空間四面體。一/5。中,0A=8,AB=6,AC=4,BC=5,ZOAC=45°,
ZOAB=60°,求CM與8C所成角的余弦值.
【例4】如圖所示,在平行六面體48cz)—4々C/]中,AB=1,AD=2,AA=3,ZBAD=
90°,ZBAA=ZDAA=60°,求的長.
【感悟】利用向量的數(shù)量積求兩點間的距離,可以轉化為求向量的模的問題,其基本思路
是先選擇以兩點為端點的向量,將此向量表示為幾個已知向量的和的形式,求出這幾個已知
向量的兩兩之間的夾角以及它們的模,利用公式固="一就解即可.
【練習5】如圖,已知線段平面a,BCUa,CDLBC,平面a,且/。CF=30。,
。與N在a的同側,若AB=BC=CD=2,求4,。兩點間的距離.
【類型三】利用空間向量的數(shù)量積解決垂直問題
【例5】如圖,在空間四邊形O/C8中,OB=OC,AB=AC,求證:OA±BC.
【反思】(1)證明線線垂直的方法
證明線線垂直的關鍵是確定直線的方向向量,看方向向量的數(shù)量積是否為0來判斷兩直線
是否垂直.
(2)證明與空間向量a,b,c有關的向量,",〃垂直的方法
先用向量。,b,c表示向量〃?,n,再判斷向量〃?,”的數(shù)量積是否為0.
【練習6】已知向量a,5滿足:同=2,回=虛,且“與25一a互相垂直,則”與b的夾角
為.
【方法小結】
1.空間向量運算的兩種方法
(1)利用定義:利用.力=|。物cos〈。,b〉并結合運算律進行計算.
(2)利用圖形:計算兩個數(shù)量的數(shù)量積,可先將各向量移到同一頂點,利用圖形尋找夾角,再
代入數(shù)量積公式進行運算.
2.在幾何體中求空間向量數(shù)量積的步驟
(1)首先將各向量分解成已知模和夾角的向量的組合形式.
(2)利用向量的運算律將數(shù)量積展開,轉化為已知模和夾角的向量的數(shù)量積.
(3)代入“力=固網(wǎng)cos(a,b〉求解.
【思考】如圖,在正三棱柱N3C—中,底面邊長為虛.
⑴設側棱長為1,求證:4BJ2C];
TT
(2)設4B]與Be1的夾角為彳求側棱的長.
四、空間向量的直角坐標運算
【知識點8】空間向量的坐標表示
空間直角坐標系及空間向量的坐標
(1)建立空間直角坐標系Oxyz,分別沿x軸,y軸,z軸的正方向引單位向量i,j,k,這
三個互相垂直的單位向量構成空間向量的一個基底億/,k},這個基底叫做單位正交基
底.單位向量i,j,4都叫做坐標向量.
(2)空間向量的坐標
在空間直角坐標系中,已知任一向量a,根據(jù)空間向量分解定理,存在唯一實數(shù)組(內(nèi),
4,Q3),使〃=%?+。2/+。34,"J,Clj,Q3A分別為向量。在"/,4方向上的分向量,有
序?qū)崝?shù)組(Q],a2,%)叫做向量〃在此直角坐標系中的坐標.上式可簡記作4=(0,%,
%),
【例1】如圖,在棱長為1的正方體/BCD—HB'CD'中,E,F,G分別為棱。,
D'C,BC的中點,以{/,AD,AA1}為基底,求下列向量的坐標.
(1)AE,AG,AF;
(2)EF,EG,DG.
【反思】用坐標表示空間向量的步驟
【練習1】設正四棱錐S/2尸3尸4的所有棱長均為2,建立適當?shù)目臻g直角坐標系,求豆1,
掙3的坐標.
【知識點9】空間向量的坐標運算
空間向量a,b,其坐標形式為“=(4,。2,%),b=(byb2,bp.
向量運算向量表示坐標表示
加法a+b他+4,&+4,4+%)
減法a-b(Q]-4,%—%,%—b)
數(shù)乘XaG&,徑,陽)
數(shù)量積ab旦也+a2+%四
【例2】已知。=(1,-2,1),a—6=(—1,2,-1),則等于()
A.(2,-4,2)B.(-2,4.-2)
C.(-2,0,-2)D.(2,1,-3)
【反思】關于空間向量坐標運算的兩類問題
⑴直接計算問題
首先將空間向量用坐標表示出來,然后準確運用空間向量坐標運算公式計算.
(2)由條件求向量或點的坐標
首先把向量坐標形式設出來,然后通過建立方程組,解方程求出其坐標.
【練習2】若向量a=(l,l,x),6=(1,2,1),c=(l,l,l),且滿足條件(c—a>(2?=—2,則x=
【知識點10]空間向量的平行、垂直及模、夾角
設〃=(%,a?,%),b=(b],bj,則
滿足條件
名稱
向量表示形式坐標表示形式
a//bu=Xb(X£R)
a-Lbab=0旬&_+-也+%%=0
模\tt\=y[aa同=4能+歿+毀
cos〈*b)=蓋“.A\—+%”+—儲
夾角cos\(tfb)I----------/
強+。利餌+%+"
【例3】已知空間三點4一2
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