空间向量基础知识和应用

知识网络知识要点梳理知识点一：空间向量1.空间向量的概念在空间，我们把具有大小和方向的量叫做向量。注：⑴空间的一个平移就是一个向量。⑵向量一般用有向线段表示，同向等长的有向线段表示同一或相等的向量。相等向量只考虑其定义要素：方向，大小。⑶空间的两个向量可用同一平面内的两条有向线段来表示。2.共线向量（1）定义：如果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或平行向量．平行于记作．当我们说向量、共线（或//）时，表示、的有向线段所在的直线可能是同一直线，也可能是平行直线．（2）共线向量定理：空间任意两个向量、（≠），//的充要条件是存在实数λ，使＝λ。3.向量的数量积（1）定义：已知向量，则叫做的数量积，记作，即。（2）空间向量数量积的性质：①；②；③．（3）空间向量数量积运算律：①；②（交换律）；③（分配律）。4.空间向量基本定理如果三个向量不共面，那么对空间任一向量，存在一个唯一的有序实数组，使。若三向量不共面，我们把叫做空间的一个基底，叫做基向量，空间任意三个不共面的向量都可以构成空间的一个基底。5.空间直角坐标系：（1）若空间的一个基底的三个基向量互相垂直，且长为，这个基底叫单位正交基底，用表示；（2）在空间选定一点和一个单位正交基底，以点为原点，分别以的方向为正方向建立三条数轴:轴、轴、轴,它们都叫坐标轴.我们称建立了一个空间直角坐标系,点叫原点，向量都叫坐标向量．通过每两个坐标轴的平面叫坐标平面，分别称为平面，平面，平面；6.空间直角坐标系中的坐标在空间直角坐标系中，对空间任一点，存在唯一的有序实数组，使，有序实数组叫作向量在空间直角坐标系中的坐标，记作，叫横坐标，叫纵坐标，叫竖坐标．7.空间向量的直角坐标运算律：（1）若，，则．一个向量在直角坐标系中的坐标等于表示这个向量的有向线段的终点的坐标减去起点的坐标。（2）若，，则，，，，，；，．夹角公式：．（3）两点间的距离公式：若，，则或。知识点三：空间向量在立体几何中的应用1.立体几何中有关垂直和平行的一些命题，可通过向量运算来证明．对于垂直问题，一般是利用进行证明；对于平行问题，一般是利用共线向量和共面向量定理进行证明．2．利用向量求夹角(线线夹角、线面夹角、面面夹角)有时也很方便．其一般方法是将所求的角转化为求两个向量的夹角或其补角，而求两个向量的夹角则可以利用向量的夹角公式。3．用向量法求距离的公式设n是平面的法向量，AB是平面的一条斜线，则点B到平面的距离为（如图）。规律方法指导向量法在求空间角上的应用平面的法向量的求法：设n=(x,y,z)，利用n与平面内的两个不共线的向a，b垂直，其数量积为零，列出两个三元一次方程，联立后取其一组解，即得到平面的一个法向量（如图）。线线角的求法：设直线AB、CD对应的方向向量分别为a、b，则直线AB与CD所成的角为。（注意：线线角的范围[00,900]）线面角的求法：设n是平面的法向量，是直线的方向向量，则直线与平面所成的角为（如图）。二面角的求法：设n1，n2分别是二面角的两个面，的法向量，则就是二面角的平面角或其补角的大小（如图）利用法向量求空间距离⑴点A到平面的距离：，其中，是平面的法向量。⑵直线与平面之间的距离：，其中，是平面的法向量。⑶两平行平面之间的距离：，其中，是平面的法向量。空间向量是高中数学中的重要内容之一，是处理空间线线、线面、面面位置关系和夹角的重要工具，是高考考查的重要内容之一.运用向量方法研究立体几何问题思路简单，模式固定，避免了几何法中作辅助线的问题，从而降低了立体几何问题的难度.本文将空间向量在立体几何中的应用的重要考点和解题方法作以解析.【考点及要求】1.理解直线的方向向量与平面法向量.2.能用向量语言表述直线与直线、直线与平面、平面与平面的垂直、平行关系.3.能用向量方法证明证明直线和平面位置关系的一些定理（包括三垂线定理）.4.能用向量方法解决直线与直线、直线与平面、平面与平面的夹角计算问题，了解向量方法在研究集合问题中的应用.【考点归纳分析】考点1.利用空间向量证明空间垂直问题利用空间向量证明空间线线、线面、面面垂直问题是高考考查的重点内容，考查形式灵活多样，常与探索性问题、平行问题、空间角问题结合，考查形式可以是小题，也可以是解答题的一部分，或解答题的某个环节，题目容易，是高考中的重要得分点.例1(2010辽宁理19））已知三棱锥P－ABC中，PA⊥面ABC，AB⊥AC，PA=AC=12AB，N为AB上一点，AB=4AN,M,S分别为PB,BC的中点.证明：CM⊥SN；审题要津：本题空间坐标系易建立，可用坐标法.证明：设PA=1，以A为原点，射线AB，AC，AP分别为x，y，z轴正向建立空间直角坐标系如图，则P（0,0,1），C（0,1,0），B（2,0,0），M（1,0,12），N（12,0,0），S（1,12,0）111(1,1,),(,,0)222CMSN,因为110022CMSN，所以CM⊥SN.【点评】对坐标系易建立的空间线线垂直判定（证明）问题，常用向量法，即通过证明所证直线的方向向量的数量积为0证明两直线垂直.例2(2010天津理19)在长方体1111ABCDABCD中，E、F分别是棱BC,1CC上的点，CF=AB=2CE,1::ABADAA=1:2:4.证明AF平面1AED审题要津：本题空间坐标系易建立，可用坐标法.解析：如图所示，建立空间直角坐标系，点A为坐标原点，设1AB,依题意得(0,2,0)D,(1,2,1)F,1(0,0,4)A,31,,02E已知(1,2,1)AF,131,,42EA,11,,02ED于是AF·1EA=0，AF·ED=0.因此，1AFEA,AFED,又1EAEDE所以AF平面1AED【点评】对坐标系易建立的空间线面垂直问题，通常用向量法，先求出平面的法向量和直线的方向向量，证明平面法向量与直线的方向向量平行或者直接用向量法证明直线与平面内两条相交直线垂直，再用线面垂直判定定理即可.例3（2010年山东文）在如图所示的几何体中，四边形ABCD是正方形，MA平面ABCD，//PDMA，E、G、F分别为MB、PB、PC的中点，且2ADPDMA.求证：平面EFG平面PDC.审题要津：本题空间坐标系易建立，可用坐标法.解析：以A为原点，向量DA,AB,AM分别为x轴、y轴、z轴的正方向，如图建立坐标系，设AM=1，则AD=AB=PD=2,则B(0,2,0),C(－2,2,0),D(－2,0,0),P(－2,0,2),M(0,0,1),则E(0,1,12),G(－1,1,1),F(－2,1,1)，∴EG=(-1,0,12),GF=(－1,0,0),设平面EFG的法向量m=（x，y，z），则EGm=12xz=0且GFm=x=0，取y=1，则x=z=0，∴m=（0，1,0）,易证面PDC的法向量为DA=(2,0,0),∵DAm=200100=0,∴m⊥DA,∴平面EFG平面PDC【点评】对于易建立空间坐标系的面面垂直问题，常向量法，即先建立坐标系，求出两个平面的法向量，通过证明这两个平面的法向量垂直，即得面面垂直.考点2.利用空间向量处理空间平行关系空间线线、线面、面面平行关系问题是高考考查的另一个重点内容，考查的形式灵活多样，常与探索性问题、垂直问题、空间角问题结合，可以是小题，也可以是解答题的一个小题，题目的难度一般不大，是高考中的得分点之一.例4（2010湖南理18）在正方体1111ABCDABCD，E是棱1DD的中点。在棱11CD上是否存在一点F，使1BF∥平面1ABE?证明你的结论。审题要津：本题坐标系易建立，可用向量法求解.解析：以A为坐标原点，如图建立坐标系，设正方形的棱长为2，则B(2,0,0),E(0,2,1),1A(0,0,2),1B(2,0,2)，∴BE=(－2,2,1),1BA=（－2，0，2），设面1BEA的法向量为m=（x，y，z），则BEm=22xyz=0且1BAm=22xz=0，取x=1，则z=－1，y=32，∴m=（1，32，－1）,假设在棱11CD上存在一点F，使1BF∥平面1ABE，设F(0x，2，2)（0≤0x≤2）,则BF=（02x，2，2），则BFm=031(2)2(1)22x=0，解得0x=1，∴当F为11CD中点时，1BF∥平面1ABE.【点评】对于易建立坐标系的线面平行问题的向量解法，有两种思路：（1）用共面向量定理，证明直线的方向向量能用平面内两条相交直线的方向向量表示出来，即这三个向量共线，根据共面向量概念和直线在平面外，可得线面平行；（2）求出平面法向量，然后证明法向量与直线的方向向量垂直即可.对于探索性问题，通常先假设成立，设出相关点的坐标，利用相关知识，列出关于坐标的方程，若方程有解，则存在，否则不存在.注意，（1）设点的坐标时，利用点在某线段上，设出点分线段所成的比，用比表示坐标可以减少未知量，简化计算;(2)注意点的坐标的范围.例5在三棱柱111ABCABC中，侧棱垂直于底面，在底面ABC中ABC=090,D是BC上一点，且1AB∥面1ACD，1D为11BC的中点，求证：面11ABD∥面1ACD.审题要津：本题的坐标系容易建立，可用向量法.解析：以B点为原点，如图建立坐标系，设AB=a，BC=2b，1BB=c，则A（a,0,0），1C(0，2b，c)，1B(0,0,c)，1A(a，0，c)，∴1D(0，b，c)，设D(0，0y，0)（0≤0y≤2b），∴AD=(－a，0y，0)，1AC=(－a，2b，c)，1BA=(a，0，c)，1BD=（0，b，c），设面1ACD的法向量为m=(1x，1y，1z)，则ADm=101axyy=0且1ACm=1112axbycz=0，取1y=a，则1x=0y，1z=02ayabc，则m=（0y，a，02ayabc），又∵1AB∥面1ACD，∴1BAm=002ayabaycc=0，解得0y=b，∴m=（b，a，abc），设面11ABD的法向量为n=(2x,2y,2z),则1BAn=22axcz=0且1BDn=22bycz=0，取2z=1，则2x=ca，2y=cb，则n=(ca，cb，1)，∴n=cabm，∴m∥n，∴面11ABD∥面1ACD.【点评】对面面平行问题的向量方解法有两种思路，（1）利用向量证明一个面内两条相交直线分别与另一个平面平行，根据面面判定定理即得；（2）求出两个平面的法向量，证明这两个法向量平行，则这两个面就平行.考点3利用空间向量处理异面直线夹角、线面角、二面角等空间角问题异面直线夹角、线面角、二面角等空间角问题是高考考查的热点和重点，常与探索性问题、平行问题、垂直等问题结合，重点考查综合利用空间向量、空间平行与垂直的有关定理、空间角的相关概念解决空间角问题的能力，是立体几何中的难点，难度为中档难度.例6(2010天津理19)在长方体1111ABCDABCD中，E、F分别是棱BC,1CC上的点，2CFABCE,1::1:2:4ABADAA（1）求异面直线EF与1AD所成角的余弦值；（2）求二面角1AEDF的正弦值。审题要津：本题坐标系易建立，可以向量法.解析：如图所示，建立空间直角坐标系，点A为坐标原点，设1AB,依题意得(0,2,0)D,(1,2,1)F,1(0,0,4)A,31,,02E(1)证明：易得10,,12EF,1(0,2,4)AD,于是1113cos,5EFADEFADEFAD,所以异面直线EF与1AD所成角的余弦值为35(2)解：设平面EFD的法向量n=(,,)xyz，则EFn=12yz=0且EDn=12xy=0，不妨令x=1,可得n=(1,2,－1),设平面1AED的法向量m=（m，n，p）则EDm=12mn=0且1D