空间向量

共线向量定理:对于空间任意两个向量 a,b(b≠0) \bm{a}, \bm{b}(\bm{b} \neq \bm{0}) 的充要条件是存在实数 λ\lambda,使得 a∥λb \bm{a} \parallel \lambda\bm{b} 。

共面向量定理:若两个向量 a,b \bm{a}, \bm{b} 不共线,则向量 p \bm{p} 与向量 a,b \bm{a}, \bm{b} 共面的充要条件是存在唯一的有序实数对 (x,y)(x,y),使得 p=xa+yb \bm{p} = x\bm{a} + y\bm{b} 。

  • 推论:空间中的一点 PP 与不共线的三点 A,B,CA, B, C 共面的充要条件是存在唯一的有序实数组 {x,y,z}\{x, y, z\},使得 OP→=OA→+OB→+OC→ \overrightarrow{OP} = \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OB} + \overrightarrow{OC} 且 x+y+z=1x+y+z = 1,其中 OO 为空间任意一点。

夹角:对于两个非零向量 a,b \bm{a}, \bm{b} ,⟨a,b⟩ \langle \bm{a}, \bm{b} \rangle 为向量 a,b \bm{a}, \bm{b} 的夹角。

  • 取值:[0,π] [0, \pi] 。

    • 若 ⟨a,b⟩=0 \langle \bm{a}, \bm{b} \rangle = 0 ,两向量同向共线;
    • 若 ⟨a,b⟩=π \langle \bm{a}, \bm{b} \rangle = \pi ,两向量反向共线;
    • 若 ⟨a,b⟩=π/2 \langle \bm{a}, \bm{b} \rangle = \pi / 2 ,两向量垂直,即 a ⊥ b \bm{a}~\bot~\bm{b} 。

数量积:两个非零向量 a,b \bm{a}, \bm{b} 的数量积为 a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡⟨a,b⟩ \bm{a}\cdot\bm{b} = \lvert \bm{a} \rvert \lvert \bm{b} \rvert \cos \langle \bm{a}, \bm{b} \rangle。零向量与任何向量的数量积为 00。

  • a⋅a=∣a∣2 \bm{a}\cdot\bm{a} = \lvert \bm{a} \rvert^2
  • ∣a⋅b∣≤∣a∣∣b∣ \lvert \bm{a}\cdot\bm{b} \rvert \leq \lvert \bm{a} \rvert \lvert \bm{b} \rvert 恒成立
  • a⋅b=0  ⟺  a ⊥ b \bm{a}\cdot\bm{b} = 0 \iff \bm{a}~\bot~\bm{b}
  • x(a⋅b)=(xa)⋅b x(\bm{a}\cdot\bm{b}) = (x\bm{a})\cdot\bm{b}
  • a⋅b=b⋅a \bm{a}\cdot\bm{b} = \bm{b}\cdot\bm{a}
  • a⋅(b+c)=a⋅b+a⋅c \bm{a}\cdot(\bm{b}+\bm{c}) = \bm{a}\cdot\bm{b} + \bm{a}\cdot\bm{c}

投影向量:a\bm{a} 在 b\bm{b} 上的投影向量为 ∣a⋅b∣∣b∣⋅b\dfrac{|\bm{a}\cdot \bm{b}|}{|\bm{b}|} \cdot \bm{b}。

立体几何

例题

例题 1

设 D(0,0,0) D(0, 0, 0),A(32,0,0)A(3\sqrt{2}, 0, 0),B(32,4,0)B(3\sqrt{2}, 4, 0),C(0,2,0)C(0, 2, 0),P(x0,0,z0)(x0,z0>0)P(x_0, 0, z_0) (x_0, z_0 > 0) ,且 DP=32DP = 3\sqrt{2},ACAC 与平面 PCDPCD 所成角为 30°30\degree,计算平面 PBCPBC 与平面 PCDPCD 夹角的余弦值。

解答

63\boxed{\frac{\sqrt{6}}{3}}


因为 DP=32DP = 3\sqrt{2},D(0,0,0)D(0, 0, 0),P(x0,0,z0)P(x_0, 0, z_0),所以 x02+z02=18x_0^2 + z_0^2 = {\color{red}18}。

为什么会算成 1212??

由点坐标得 AC→=(−32,2,0), DC→=(0,2,0), CB→=(32,2,0), CP→=(x0,−2,z0) \overrightarrow{AC} = (-3\sqrt{2}, 2, 0),\ \overrightarrow{DC} = (0, 2, 0),\ \overrightarrow{CB} = (3\sqrt{2}, 2, 0),\ \overrightarrow{CP} = (x_0, -2, z_0) 。

设平面 PBC,PCDPBC, PCD 的法向量分别为 n,m \bm{n}, \bm{m} ,有

{m⋅DC→=0m⋅CP→=0  ⟹  m=(z0,0,−x0){n⋅CB→=0n⋅CP→=0  ⟹  n=(−2,32,2(x0+32)z0)\begin{aligned} \begin{cases} \bm{m} \cdot \overrightarrow{DC} = 0 \\ \bm{m} \cdot \overrightarrow{CP} = 0 \end{cases} \implies& \bm{m} = (z_0, 0, -x_0) \\ \begin{cases} \bm{n} \cdot \overrightarrow{CB} = 0 \\ \bm{n} \cdot \overrightarrow{CP} = 0 \end{cases} \implies& \bm{n} = \left(-2, 3\sqrt{2}, \dfrac{2(x_0 + 3\sqrt{2})}{z_0}\right) \end{aligned}

又因为 ACAC 与平面 PCDPCD 所成角为 30°30\degree,所以 sin⁡30°=AC→⋅m∣AC→∣⋅∣m∣\sin 30\degree = \dfrac{\overrightarrow{AC}\cdot \bm{m}}{\vert\overrightarrow{AC}\vert\cdot \vert\bm{m}\vert},解得 {x0=522z0=222 \begin{cases} x_0 = \dfrac{5\sqrt{2}}{2} \\[6pt] z_0 = \dfrac{\sqrt{22}}{2} \end{cases} 。

所以 n=(−2,32,211), m=(222,0,−522)\bm{n} = \left(-2, 3\sqrt{2}, 2\sqrt{11}\right),\ \bm{m} = \left(\dfrac{\sqrt{22}}{2}, 0, -\dfrac{5\sqrt{2}}{2}\right)。

设平面 PBCPBC 与平面 PCDPCD 夹角为 θ\theta,则

cos⁡θ=∣n⋅m∣∣n∣⋅∣m∣=∣−22+522∣66×18=63\cos \theta = \frac{|\bm{n}\cdot\bm{m}|}{|\bm{n}|\cdot|\bm{m}|} = \frac{|-\sqrt{22} + 5\sqrt{22}|}{\sqrt{66}\times\sqrt{18}} = \frac{\sqrt{6}}{3}

即平面 PBCPBC 与平面 PCDPCD 夹角的余弦值为 63\dfrac{\sqrt{6}}{3}。

例题 2

【2026 深圳一模 17】已知球 OO 的半径为 11,在球 OO 的内接八面体 PABCDQPABCDQ 中,顶点 P,QP, Q 分别在平面 ABCDABCD 两侧,且四棱锥 P−ABCDP-ABCD 与 Q−ABCDQ-ABCD 都是正四棱锥。

(1)如图 1,若点 OO 在平面 ABCDABCD 上,求证:PA∥PA \parallel 平面 QBCQBC;

(2)如图 2,若二面角 P−AB−QP-AB-Q 的正切值为 −3-3,求该内接八面体的体积。

第(1)问思路和解答

思路:要证 PA∥PA \parallel 面 QBCQBC,即证 PA∥QCPA \parallel QC。发现 P,A,Q,CP, A, Q, C 在同一平面,考虑证四边形 PAQCPAQC 为平行四边形。

回忆初中的平面几何知识,对角线互相平分的四边形为平行四边形。现在有对角线 PQPQ,还缺 ACAC,考虑连接。

证明:连接 ACAC。

∵O\because O 是正方形 ABCDABCD 的中心,∴OA=OC\therefore OA = OC。

又 OP=OQOP = OQ,于是四边形 PAQCPAQC 为平行四边形。

∴PA∥CQ\therefore PA \parallel CQ。

又 PA⊄PA \not\subset 面 QBCQBC,CQ⊂CQ \subset 面 QBCQBC,∴PA∥\therefore PA \parallel 面 QBCQBC。

第(2)问思路和解答

思路:发现内接八面体的体积只与正方形 ABCDABCD 的面积直接相关,考虑求出正方形 ABCDABCD 的边长 2l2l(为什么不设成 ll?方便后面解方程)。发现边长与上面的正四棱锥的高有关,设成 hh。题目中二面角 P−AB−QP-AB-Q 容易通过中点 MM 转化为平面角 ∠PMQ\angle PMQ,这样可以在 △PMQ\triangle PMQ 中通过面积公式或余弦定理获得一个等量关系,但我们发现还缺一个等量关系,两个变量需要两个独立的等量关系才能解出来。考虑旁边的 △PAQ\triangle PAQ,AA 在球上,PQPQ 是直径,AN⊥PQAN \bot PQ(NN 是正方形 ABCDABCD 的中心),这太好了,可以用射影定理(本质是相似)来刻画新的一个等量关系。求解即可。

解答:取 ABAB 中点 MM,连接 PM, QMPM,\ QM。连接 ACAC,与 PQPQ 交点为 NN,连接 MNMN。

因为 MM 为 ABAB 的中点,PA=PBPA=PB,QA=QBQA=QB,∴PM⊥AB\therefore PM \perp AB,QM⊥ABQM \perp AB。

所以二面角 P−AB−QP-AB-Q 的平面角为 ∠PMQ\angle PMQ。

设 PN=hPN = h,则 QN=2−hQN = 2-h。

不妨设 PN<QNPN < QN,解得 0<h<10 < h < 1。

设 AB=2lAB = 2l。在正方形 ABCDABCD 中,有 AM=MN=lAM = MN = l,AN=2lAN = \sqrt{2}l。

因为 PQ⊥PQ \perp 面 ABCDABCD,AN,MN⊂AN, MN \subset 面 ABCDABCD,所以 PQ⊥ANPQ \perp AN,PQ⊥MNPQ \perp MN。

又 AA 在球 OO 上,PQPQ 是球 OO 的一条直径,∴∠PAQ=90∘\therefore \angle PAQ = 90^\circ。

由射影定理得 AN2=PN⋅QN(1)AN^2 = PN \cdot QN \quad (1)

在 △PMQ\triangle PMQ 中,有 PM=l2+h2PM = \sqrt{l^2+h^2},QM=l2+(2−h)2QM = \sqrt{l^2+(2-h)^2},PQ=2PQ = 2。

tan⁡∠PMQ=−3  ⟹  sin⁡∠PMQ=310\tan\angle PMQ = -3 \implies \sin\angle PMQ = \frac{3}{\sqrt{10}}。

为什么考试的时候正弦值算成余弦值,余弦值算成正弦值?!

所以 12PM⋅QM⋅sin⁡∠PMQ=12PQ⋅MN(2)\frac{1}{2} PM \cdot QM \cdot \sin\angle PMQ = \frac{1}{2} PQ \cdot MN \quad (2)(利用三角形面积公式)

对 (1)(1) 式化简得:

2l2=−h2+2h2l^2 = -h^2 + 2h

对 (2)(2) 式化简:

l2+h2⋅l2+(2−h)2=2l⋅103\sqrt{l^2+h^2} \cdot \sqrt{l^2+(2-h)^2} = 2l \cdot \frac{\sqrt{10}}{3}

代入 (1)(1) 消去 l2l^2:

−h2+2h2+h2⋅−h2+2h2+4+h2−4h⋅310=2l\sqrt{\frac{-h^2+2h}{2}+h^2} \cdot \sqrt{\frac{-h^2+2h}{2}+4+h^2-4h} \cdot \frac{3}{\sqrt{10}} = 2l

整理得:

(h22+h)(h22−3h+4)⋅910=4l2=2h(2−h)14(h2+2h)(h2−6h+8)⋅910=2h(2−h)9h(h+2)(h−2)(h−4)=80h(2−h)\begin{aligned} \left(\frac{h^2}{2}+h\right)\left(\frac{h^2}{2}-3h+4\right) \cdot \frac{9}{10} &= 4l^2 = 2h(2-h) \\ \frac{1}{4}(h^2+2h)(h^2-6h+8) \cdot \frac{9}{10} &= 2h(2-h) \\ 9h(h+2)(h-2)(h-4) &= 80h(2-h) \end{aligned}

由于 h∈(0,1)h \in (0,1),有 h≠0h \neq 0,两边除以 h(h−2)h(h-2)(注意 h−2<0h-2 < 0):

9(h+2)(h−4)=−809h2−18h−72=−809h2−18h+8=0(3h−2)(3h−4)=0\begin{aligned} 9(h+2)(h-4) &= -80 \\ 9h^2 - 18h - 72 &= -80 \\ 9h^2 - 18h + 8 &= 0 \\ (3h-2)(3h-4) &= 0 \end{aligned}

解得 h=23h = \dfrac{2}{3} 或 h=43h = \dfrac{4}{3}(舍去,因为 h∈(0,1)h \in (0,1))。

代入 (1)(1) 式:

l=23×432=23l = \sqrt{\frac{\frac{2}{3} \times \frac{4}{3}}{2}} = \frac{2}{3}

于是 S正方形ABCD=(2l)2=4×49=169 S_{\text{正方形}ABCD} = (2l)^2 = 4 \times \dfrac{4}{9} = \dfrac{16}{9}。

所以

V=VP−ABCD+VQ−ABCD=13⋅S正方形ABCD⋅h+13S正方形ABCD⋅(2−h)=13×2⋅S正方形ABCD=23×169=3227\begin{aligned} V &= V_{P-ABCD} + V_{Q-ABCD} \\ &= \frac{1}{3} \cdot S_{\text{正方形}ABCD} \cdot h + \frac{1}{3} S_{\text{正方形}ABCD} \cdot (2-h) \\ &= \frac{1}{3} \times 2 \cdot S_{\text{正方形}ABCD} \\ &= \frac{2}{3} \times \frac{16}{9} \\ &= \frac{32}{27} \end{aligned}

即内接八面体的体积为 3227\boxed{\frac{32}{27}}。