空间向量与立体几何知识点.docx

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空间向量与立体几何知识点

立体几何空间向量知识点总结

知识网络：

知识点拨：

1、空间向量的概念及其运算与平面向量类似，向量加、减法的平行四边形法则，三角形法则以及相关的运算律仍然成立．空间向量的数量积运算、共线向量定理、共面向量定理都是平面向量在空间中的推广，空间向量基本定理则是向量由二维到三维的推广．

2、当、为非零向量时．是数形结合的纽带之一，这是运用空间向量研究线线、线面、面面垂直的关键，通常可以与向量的运算法则、有关运算律联系来解决垂直的论证问题．

3、公式是应用空间向量求空间中各种角的基础，用这个公式可以求两异面直线所成的角（但要注意两异面直线所成角与两向量的夹角在取值范围上的区别），再结合平面的法向量，可以求直线与平面所成的角和二面角等．

4、直线的方向向量与平面的法向量是用来描述空间中直线和平面的相对位置的重要概念，通过研究方向向量与法向量之间的关系，可以确定直线与直线、直线与平面、平面与平面等的位置关系以及有关的计算问题．

5、用空间向量判断空间中的位置关系的常用方法

（1）线线平行

证明两条直线平行，只需证明两条直线的方向向量是共线向量．

（2）线线垂直

证明两条直线垂直，只需证明两条直线的方向向量垂直，即．

（3）线面平行

用向量证明线面平行的方法主要有：

①证明直线的方向向量与平面的法向量垂直；

②证明可在平面内找到一个向量与直线方向向量是共线向量；

③利用共面向量定理，即证明可在平面内找到两不共线向量来线性表示直线的方向向量．

（4）线面垂直

用向量证明线面垂直的方法主要有：

①证明直线方向向量与平面法向量平行；

②利用线面垂直的判定定理转化为线线垂直问题．

（5）面面平行

①证明两个平面的法向量平行（即是共线向量）；

②转化为线面平行、线线平行问题．

（6）面面垂直

①证明两个平面的法向量互相垂直；

②转化为线面垂直、线线垂直问题．

6、运用空间向量求空间角

（1）求两异面直线所成角

利用公式，

但务必注意两异面直线所成角θ的范围是，

故实质上应有：

．

（2）求线面角

求直线与平面所成角时，一种方法是先求出直线及射影直线的方向向量，通过数量积求出直线与平面所成角；另一种方法是借助平面的法向量，先求出直线方向向量与平面法向量的夹角φ，即可求出直线与平面所成的角θ，其关系是sinθ＝|cosφ|．

（3）求二面角

用向量法求二面角也有两种方法：

一种方法是利用平面角的定义，在两个面内先求出与棱垂直的两条直线对应的方向向量，然后求出这两个方向向量的夹角，由此可求出二面角的大小；另一种方法是转化为求二面角的两个面的法向量的夹角，它与二面角的大小相等或互补．

7、运用空间向量求空间距离

空间中的各种距离一般都可以转化为求点与点、点与线、点与面的距离．

（1）点与点的距离

点与点之间的距离就是这两点间线段的长度，因此也就是这两点对应向量的模．

（2）点与面的距离

点面距离的求解步骤是：

①求出该平面的一个法向量；

②求出从该点出发的平面的任一条斜线段对应的向量；

③求出法向量与斜线段向量的数量积的绝对值再除以法向量的模，即得要求的点面距离．

备考建议：

1、空间向量的引入，把平面向量及其运算推广到空间，运用空间向量解决有关直线、平面位置关系的问题，应体会向量方法在研究几何图形中的作用，进一步发展空间想像能力和几何直观能力．

2、灵活选择运用向量方法与综合方法，从不同角度解决立体几何问题．

3、在解决立体几何中有关平行、垂直、夹角、距离等问题时，直线的方向向量与平面的法向量有着举足轻重的地位和作用，它的特点是用代数方法解决立体几何问题，无需进行繁、难的几何作图和推理论证，起着从抽象到具体、化难为易的作用．因此，应熟练掌握平面法向量的求法和用法．

4、加强运算能力的培养，提高运算的速度和准确性．

第一讲空间向量及运算

一、空间向量的有关概念

1、空间向量的定义

在空间中，既有大小又有方向的量叫做空间向量．注意空间向量和数量的区别．数量是只有大小而没有方向的量．

2、空间向量的表示方法

空间向量与平面向量一样，也可以用有向线段来表示，用有向线段的长度表示向量的大小，用有向线段的方向表示向量的方向．若向量对应的有向线段的起点是A，终点是B，则向量可以记为，其模长为或．

3、零向量

长度为零的向量称为零向量，记为．零向量的方向不确定，是任意的．由于零向量的这一特殊性，在解题中一定要看清题目中所指向量是“零向量”还是“非零向量”．

4、单位向量

模长为1的向量叫做单位向量．单位向量是一种常用的、重要的空间向量，在以后的学习中还要经常用到．

5、相等向量

长度相等且方向相同的空间向量叫做相等向量．若向量与向量相等，记为=.零向量与零向量相等，任意两个相等的非零向量都可以用空间中的同一条有向线段来表示，并且与有向线段的起点无关．

6、相反向量

长度相等但方向相反的两个向量叫做相反向量．的相反向量记为－

二、共面向量

1、定义

平行于同一平面的向量叫做共面向量．

2、共面向量定理

若两个向量、不共线，则向量与向量、共面的充要条件是存在实数对x、y,使得=。

3、空间平面的表达式

空间一点P位于平面MAB内的充要条件是存在有序实数对x、y使或对空间任一定点O,有或（其中）这几个式子是M,A,B,P四点共面的充要条件．

三、空间向量基本定理

1、定理

如果三个向量、、不共面，那么对空间任一向量，存在唯一的有序实数组x、y、z，使=

2、注意以下问题

（1）空间任意三个不共面的向量都可以作为空间向量的一个基底．

（2）由于可视为与任意一个非零向量共线，与任意两个非零向量共面，所以，三个向量不共面，就隐含着它们都不是。

（3）一个基底是指一个向量组，一个基向量是指基底中的某一个向量，两者是相关联的不同概念．

由空间向量的基本定理知，若三个向量、、不共面。

那么所有空间向量所组成的集合就是,这个集合可看做是由向量、、生成的，所以我们把称为空间的一个基底。

、、叫做基向量，空间任意三个不共面的向量都可构成空间的一个基底．

3、向量的坐标表示

（1）单位正交基底

如果空间的一个基底的三个基向量互相垂直，且长都为1，则这个基底叫做单位正交基底，常用表示．

（2）空间直角坐标系

在空间选定一点O和一个单位正交基底以点O为原点，分别以、、的方向为正方向建立三条数轴:

x轴、y轴、z轴，它们都叫坐标轴．则建立了一个空间直角坐标系O－xyz,点O叫原点，向量、、都叫坐标向量．

（3）空间向量的坐标

给定一个空间直角坐标系和向量,且设、、为坐标向量，存在唯一有序数组（x，y，z）使，有序数组（x，y，z）叫做在空间直角坐标系O－xyz中的坐标，记为=。

对坐标系中任一点A，对应一个向量，则=。

在单位正交基底、、中与向量对应的有序实数组（x，y，z），叫做点A在此空间直角坐标系中的坐标，记为A（x，y，z）.

四、空间向量的运算

1、空间向量的加法

三角形法则（注意首尾相连）、平行四边形法则，

加法的运算律：

交换律

结合律

2、空间向量的减法及几何作法

几何作法：

在平面内任取一点O，作，则，即从的终点指向的终点的向量，这就是向量减法的几何意义．

3、空间向量的数乘运算

（1）定义

实数与的积是一个向量，记为，它的模与方向规定如下：

①

②当时，与同向；当时，与异向；当时．

注意：

①关于实数与空间向量的积的理解：

我们可以把的模扩大（当>1时），也可以缩小（<1时），同时，我们可以不改变向量的方向（当时），也可以改变向量的方向（当时）。

.

②注意实数与向量的积的特殊情况，当时，；当，若时，有。

③注意实数与向量可以求积，但是不能进行加减运算．比如，无法运算。

（2）实数与空间向量的积满足的运算律

设λ、μ是实数，则有

（结合律）

（第一分配律）

（第二分配律）

实数与向量的积也叫数乘向量．

4、共线向量

（1）共线向量定义

若表示空间向量的有向线段所在的直线互相平行或重合，则这些向量叫做共线向量，也叫做平行向量。

若与是共线向量，则记为性质

若是非零向量，是与方向相同的单位向量，θ是的夹角，则

（1）

（2）

（3）若同向，则；

若反向，则；

特别地：

（4）若θ为

（5）

2.运算律

（1）结合律

（2）交换律

（3）分配律

不满足消去律和结合律即：

【典型例题】

例1.已知P是平面四边形ABCD所在平面外一点，连结PA、PB、PC、PD，点E、F、G、H分别为△PAB、△PBC、△PCD、△PDA的重心。

求证：

E、F、G、H四点共面。

证明：

分别延长PE、PF、PG、PH交对边于M、N、Q、R

∵E、F、G、H分别是所在三角形的重心

∴M、N、Q、R为所在边的中点，顺次连结MNQR所得四边形为平行四边形，且有

∵MNQR为平行四边形，则

∴由共面向量定理得E、F、G、H四点共面。

例2.如图所示，在平行六面体中，，，，P是CA'的中点，M是CD'的中点，N是C'D'的中点，点Q是CA'上的点，且CQ：

QA'=4：

1，用基底表示以下向量：

（1）；

（2）；（3）；（4）。

解：

连结AC、AD'

（1）；

（2）；

（3）

（4）

点评：

本例是空间向量基本定理的推论的应用．此推论意在用分解定理确定点的位置，它对于以后用向量方法解几何问题很有用，选定空间不共面的三个向量作基向量．并用它们表示出指定的向量，是用向量解决几何问题的一项基本功．

例3.已知空间四边形OABC中，∠AOB=∠BOC=∠AOC，且OA=OB=OC。

M、N分别是OA、BC的中点，G是MN的中点。

求证：

OG⊥BC。

证明：

连结ON，设∠AOB=∠BOC=∠AOC=θ

又设，，，则。

又

∴

∴OG⊥BC

例4.已知空间三点A（0，2，3），B（－2，1，6），C（1，－1，5）。

（1）求以为邻边的平行四边形面积；

（2）若，且垂直，求向量的坐标。

解：

（1）由题中条件可知

∴

∴以为邻边的平行四边形面积：

（2）设由题意得

解得

∴

第二讲直线的方向向量、平面的法向量及其应用

一、直线的方向向量及其应用

1、直线的方向向量

直线的方向向量就是指和这条直线所对应向量平行（或共线）的向量，显然一条直线的方向向量可以有无数个．

2、直线方向向量的应用

利用直线的方向向量，可以确定空间中的直线和平面．

（1）若有直线l,点A是直线l上一点，向量是l的方向向量，在直线l上取，则对于直线l上任意一点P，一定存在实数t，使得，这样，点A和向量不仅可以确定l的位置，还可具体表示出l上的任意点．

（2）空间中平面α的位置可以由α上两条相交直线确定，若设这两条直线交于点O,它们的方向向量分别是和，P为平面α上任意一点，由平面向量基本定理可知，存在有序实数对（x，y），使得，这样，点O与方向向量、不仅可以确定平面α的位置，还可以具体表示出α上的任意点．

二、平面的法向量

1、所谓平面的法向量，就是指所在的直线与平面垂直的向量，显然一个平面的法向量也有无数个，它们是共线向量．

2、在空间中，给定一个点A和一个向量，那么以向量为法向量且经过点A的平面是唯一确定的．

三、直线方向向量与平面法向量在确定直线、平面位置关系中的应用

1、若两直线l1、l2的方向向量分别是、，则有l1

（2）根据线面平行的判定定理：

“如果直线（平面外）与平面内的一条直线平行，那么这条直线和这个平面平行”，要证明一条直线和一个平面平行，也可以在平面内找一个向量与已知直线的方向向量是共线向量即可．

（3）根据共面向量定理可知，如果一个向量和两个不共线的向量是共面向量，那么这个向量与这两个不共线向量确定的平面必定平行，因此要证明一条直线和一个平面平行，只要证明这条直线的方向向量能够用平面内两个不共线向量线性表示即可．

3、面面平行

（1）由面面平行的判定定理，要证明面面平行，只要转化为相应的线面平行、线线平行即可．

（2）若能求出平面α、β的法向量、，则要证明α设分别是直线l1、l2的方向向量，根据下列条件判断l1与l2的位置关系。

（1）=（2，3，－1），=（－6，－9，3）；

（2）=（5，0，2），=（0，4，0）；

（3）=（－2，1，4），=（6，3，3）

解：

（1）∵，=（－6，－9，3）

∴，∴，∴l1设分别是平面α、β的法向量，根据下列条件判断α、β的位置关系：

（1）=（1，－1，2），=（3，2，）；

（2）=（0，3，0），=（0，－5，0）；

（3）=（2，－3，4），=（4，－2，1）。

解：

（1）∵=（1，－1，2），=（3，2，）

∴∴α⊥β

（2）∵=（0，3，0），=（0，－5，0）

∴

（3）∵=（2，－3，4），=（4，－2，1）

∴既不共线、也不垂直，∴α与β相交

点评：

应熟练掌握利用向量共线、垂直的条件。

例3.已知点A（3，0，0），B（0，4，0），C（0，0，5），求平面ABC的一个单位法向量。

解：

由于A（3，0，0），B（0，4，0），C（0，0，5），∴=（－3，4，0），=（－3，0，5）

设平面ABC的法向量为（x，y，z）

则有

即取z=1，得，

于是=（），又

∴平面α的单位法向量是

例4.若直线l的方向向量是=（1，2，2），平面α的法向量是=（－1，3，0），试求直线l与平面α所成角的余弦值。

分析：

如图所示，直线l与平面α所成的角就是直线l与它在平面内的射影所成的角，即∠ABO，而在Rt△ABO中，∠ABO=∠BAO，又∠BAO可以看作是直线l与平面α的垂线所成的锐角，这样∠BAO就与直线l的方向向量a与平面α的法向量n的夹角建立了联系，故可借助向量的运算求出∠BAO，从而求出∠ABO，得到直线与平面所成的角。

解：

∵=（1，2，2，），=（－1，3，0）

∴，，

∴

若设直线l与平面α所成的角是θ

则有

∵

∴

因此，即直线l与平面α所成角的余弦值等于。

例5.如图（a）所示，在正方体中，M、N分别是、的中点。

求证：

（1）MN如图，在正方体中，O为AC与BD的交点，G为CC1的中点。

求证：

A1O⊥平面GBD。

证明：

设，则

而

∴

同理

∴，

又，∴面GBD。

例7.（2004年天津）如图（a）所示，在四棱锥P—ABCD中，底面ABCD是正方形，侧棱PD⊥底面ABCD，PD=DC，E是PC的中点。

（1）证明：

PA正方体中，E、F分别是、的中点，求：

（1）异面直线AE与CF所成角的余弦值；

（2）二面角C—AE—F的余弦值的大小。

解：

不妨设正方体棱长为2，分别取DA、DC、所在直线为x轴、y轴、z轴建立如图所示空间直角坐标系，则A（2，0，0），C（0，2，0），E（1，0，2），F（1，1，2）

（1）由=（－1，0，2），=（1，－1，2），得，

∴=－1＋0＋4=3

又

∴，∴所求值为

（2）∵=（0，1，0）

∴=（－1，0，2）·（0，1，0）=0

∴AE⊥EF，过C作CM⊥AE于M

则二面角C—AE—F的大小等于

∵M在AE上，∴

则=（－m，0，2m），=（－2，2，0）－（－m，0，2m）=（m－2，2，－2m）

∵MC⊥AE

∴=（m－2，2，－2m）·（－1，0，2）=0

∴，∴，

∴=（0，1，0）·（，2，）=0＋2＋0=2

又

∴

∴二面角C—AE—F的余弦值的大小为

例9.已知正方形ABCD的边长为4，E、F分别是AB、AD的中点，H是EF与AC的交点，CG⊥面ABCD，且CG=2。

求BD到面EFG的距离。

分析：

因BD//平面EFG，故O到面EFG与BD到面EFG距离相等，证明OM垂直于面EFG即可。

解：

如图所示，分别以CD、CB、CG所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系。

易证BD//面EFG，设=O，EF⊥面CGH，O到面EFG的距离等于BD到面EFG的距离，过O作OM⊥HG于M，易证OM⊥面EFG，可知OM为所求距离。

另易知H（3，3，0），G（0，0，2），O（2，2，0）。

设，=（3，3，－2）

则

又，∴

∴，∴

∴

即BD到平面EFG的距离等于

【励志故事】

习惯

父子俩住山上，每天都要赶牛车下山卖柴。

老父较有经验，坐镇驾车，山路崎岖，弯道特多，儿子眼神较好，总是在要转弯时提醒道：

“爹，转弯啦！

”

有一次父亲因病没有下山，儿子一人驾车。

到了弯道，牛怎么也不肯转弯，儿子用尽各种方法，下车又推又拉，用青草诱之，牛一动不动。

到底是怎么回事？

儿子百思不得其解。

最后只有一个办法了，他左右看看无人，贴近牛的耳朵大声叫道：

“爹，转弯啦！

”

牛应声而动。

牛用条件反射的方式活着，而人则以习惯生活。

一个成功的人晓得如何培养好的习惯来代替坏的习惯，当好的习惯积累多了，自然会有一个好的人生。