2018年秋高中數(shù)學(xué) 第三章 空間向量與立體幾何 3.1 空間向量及其運(yùn)算 3.1.5 空間向量運(yùn)算的坐標(biāo)表示學(xué)案 新人教A版選修2-1.doc
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3.1.5 空間向量運(yùn)算的坐標(biāo)表示 學(xué)習(xí)目標(biāo):1.掌握空間向量運(yùn)算的坐標(biāo)表示,并會判斷兩個(gè)向量是否共線或垂直.(重點(diǎn))2.掌握空間向量的模,夾角公式和兩點(diǎn)間距離公式,并能運(yùn)用這些公式解決簡單幾何體中的問題.(重點(diǎn),難點(diǎn)) [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] 1.空間向量運(yùn)算的坐標(biāo)表示 設(shè)a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3),空間向量的坐標(biāo)運(yùn)算法則如下表所示: 運(yùn)算 坐標(biāo)表示 加法 a+b=(a1+b1,a2+b2,a3+b3) 減法 a-b=(a1-b1,a2-b2,a3-b3) 數(shù)乘 λa=(λa1,λa2,λa3),λ∈R 數(shù)量積 ab=a1b1+a2b2+a3b3 2.空間向量的平行、垂直、模與夾角公式的坐標(biāo)表示 設(shè)a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3),則 平行(a∥b) a∥b(b≠0)?a=λb? 垂直(a⊥b) a⊥b?ab=0?a1b1+a2b2+a3b3=0(a,b均為非零向量) 模 |a|== 夾角公式 cos〈a,b〉== 思考:若a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3),則 a∥b一定有==成立嗎? [提示] 當(dāng)b1,b2,b3均不為0時(shí),==成立. 3.向量的坐標(biāo)及兩點(diǎn)間的距離公式 在空間直角坐標(biāo)系中,設(shè)A(a1,b1,c1),B(a2,b2,c2),則 (1)=(a2-a1,b2-b1,c2-c1); (2)dAB=||=. [基礎(chǔ)自測] 1.思考辨析 (1)若a=(1,-2,1),a+b=(-1,2,-1),則b=(-2,4,-2).( ) (2)若a=(1,2,0),b=(-2,0,1),則|a|=|b|.( ) (3)若a=(0,0,1),b=(1,0,0)則a⊥b.( ) (4)在空間坐標(biāo)系中,若A(1,2,3),B(4,5,6),則=(-3,-3,-3).( ) [答案] (1)√ (2)√ (3)√ (4) 2.已知向量a=(3,-2,1),b=(-2,4,0),則4a+2b等于( ) A.(16,0,4) B.(8,-16,4) C.(8,16,4) D.(8,0,4) D [4a=(12,-8,4),2b=(-4,8,0), ∴4a+2b=(8,0,4).] 3.已知向量a=(1,1,0),b=(-1,0,2),且ka+b與2a-b互相垂直,則k=( ) 【導(dǎo)學(xué)號:46342154】 A.1 B. C. D. D [ka+b=(k-1,k,2),2a-b=(3,2,-2),且(ka+b)(2a-b)=3(k-1)+2k-4=0,解得k=.] 4.若點(diǎn)A(0,1,2),B(1,0,1),則=__________,=__________________. (1,-1,-1) [=(1,-1,-1),||==.] [合 作 探 究攻 重 難] 空間向量的坐標(biāo)運(yùn)算 (1)若向量a=(1,1,x),b=(1,2,1),c=(1,1,1)滿足條件(c-a)(2b)=-2,則x=________. (2)已知O是坐標(biāo)原點(diǎn),且A,B,C三點(diǎn)的坐標(biāo)分別是(2,-1,2),(4,5,-1),(-2,2,3),求適合下列條件的點(diǎn)P的坐標(biāo); ①=(-);②=(-). [解析] (1)c-a=(0,0,1-x),2b=(2,4,2),由(c-a)2b=-2得2(1-x)=-2,解得x=2. [答案] 2 (2)=(2,6,-3),=(-4,3,1). ①=(-)=(6,3,-4)=,則點(diǎn)P的坐標(biāo)為. ②設(shè)P(x,y,z),則=(x-2,y+1,z-2). ∵=(-)=,∴ 解得x=5,y=,z=0,則點(diǎn)P的坐標(biāo)為. [規(guī)律方法] 1.一個(gè)向量的坐標(biāo)等于表示這個(gè)向量的有向線段的終點(diǎn)坐標(biāo)減去起點(diǎn)坐標(biāo). 2.在確定了向量的坐標(biāo)后,使用空間向量的加減、數(shù)乘、數(shù)量積的坐標(biāo)運(yùn)算公式進(jìn)行計(jì)算就可以了,但要熟練應(yīng)用下列有關(guān)乘法公式:(1)(a+b)2=a2+2ab+b2;(2)(a+b)(a-b)=a2-b2. [跟蹤訓(xùn)練] 1.已知a=(2,-1,-2),b=(0,-1,4).求: (1)a+b;(2)a-b;(3)ab; (4)2a(-b);(5)(a+b)(a-b). [解] (1)a+b=(2,-1,-2)+(0,-1,4) =(2+0,-1-1,-2+4)=(2,-2,2). (2)a-b=(2,-1,-2)-(0,-1,4) =(2-0,-1-(-1),-2-4)=(2,0,-6). (3)ab=(2,-1,-2)(0,-1,4) =20+(-1)(-1)+(-2)4=-7. (4)∵2a=(4,-2,-4), ∴(2a)(-b)=(4,-2,-4)(0,1,-4) =40+(-2)1+(-4)(-4)=14. (5)(a+b)(a-b)=a2-b2=4+1+4-(0+1+16)=-8. 利用向量的坐標(biāo)運(yùn)算解決平行、垂直問題 已知空間三點(diǎn)A(-2,0,2),B(-1,1,2), C(-3,0,4).設(shè)a=,b=. (1)若|c|=3,c∥,求c; (2)若ka+b與ka-2b互相垂直,求k. [思路探究] (1)根據(jù)c∥,設(shè)c=λ,則向量c的坐標(biāo)可用λ表示,再利用|c|=3求λ值; (2)把ka+b與ka-2b用坐標(biāo)表示出來,再根據(jù)數(shù)量積為0求解. [解] (1)∵=(-2,-1,2)且c∥, ∴設(shè)c=λ=(-2λ,-λ,2λ)(λ∈R). ∴|c|==3|λ|=3. 解得λ=1. ∴c=(-2,-1,2)或c=(2,1,-2). (2)∵a==(1,1,0),b==(-1,0,2), ∴ka+b=(k-1,k,2),ka-2b=(k+2,k,-4). ∵(ka+b)⊥(ka-2b), ∴(ka+b)(ka-2b)=0, 即(k-1,k,2)(k+2,k,-4)=2k2+k-10=0, 解得k=2或k=-. [規(guī)律方法] 向量平行與垂直問題主要有兩種題型:(1)平行與垂直的判斷;(2)利用平行與垂直求參數(shù)或解其他問題,即平行與垂直的應(yīng)用.解題時(shí)要注意:①適當(dāng)引入?yún)?shù)(比如向量a,b平行,可設(shè)a=λb),建立關(guān)于參數(shù)的方程;②最好選擇坐標(biāo)形式,以達(dá)到簡化運(yùn)算的目的. [跟蹤訓(xùn)練] 2.已知a=(λ+1,1,2λ),b=(6,2m-1,2). (1)若a∥b,分別求λ與m的值; (2)若|a|=,且與c=(2,-2λ,-λ)垂直,求a. 【導(dǎo)學(xué)號:46342155】 [解] (1)由a∥b,得 (λ+1,1,2λ)=k(6,2m-1,2), ∴解得 ∴實(shí)數(shù)λ=,m=3. (2)∵|a|=,且a⊥c, ∴ 化簡,得解得λ=-1. 因此,a=(0,1,-2). 空間向量夾角與長度的計(jì)算 [探究問題] 1.已知A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),則線段AB的中點(diǎn)P的坐標(biāo)是多少? 提示:P 2.設(shè)異面直線AB,CD所成的角為θ,則cos θ=cos〈,〉一定成立嗎? 提示:當(dāng)cos〈,〉≥0時(shí),cos θ=cos〈,〉 當(dāng)cos〈,〉<0時(shí),cos θ=-cos〈,〉. 如圖3138所示,在直三棱柱ABCA1B1C1中,CA=CB=1,∠BCA=90,棱AA1=2,M,N分別為A1B1,A1A的中點(diǎn). 圖3138 (1)求BN的長; (2)求A1B與B1C所成角的余弦值; (3)求證:BN⊥平面C1MN. [思路探究] →→→→ [解] (1)如圖所示,建立空間直角坐標(biāo)系Cxyz. 依題意得B(0,1,0),N(1,0,1), ∴||==, ∴線段BN的長為. (2)依題意得A1(1,0,2),C(0,0,0),B1(0,1,2), ∴=(1,-1,2),=(0,1,2), ∴=10+(-1)1+22=3. 又||=,||=. ∴cos〈,〉= =. 故A1B與B1C所成角的余弦值為. (3)證明:依題意得A1(1,0,2),C1(0,0,2),B(0,1,0), N(1,0,1),M, ∴=,=(1,0,-1), =(1,-1,1), ∴=1+(-1)+01=0, =11+0(-1)+(-1)1=0. ∴⊥,⊥, ∴BN⊥C1M,BN⊥C1N, 又∵C1M∩C1N=C1,C1M?平面C1MN,C1N?平面C1MN, ∴BN⊥平面C1MN. [規(guī)律方法] 向量夾角的計(jì)算步驟 (1)建系:結(jié)合圖形建立適當(dāng)?shù)目臻g直角坐標(biāo)系,建系原則是讓盡可能多的點(diǎn)落到坐標(biāo)軸上. (2)求方向向量:依據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)求出方向向量的坐標(biāo). (3)代入公式:利用兩向量的夾角公式將方向向量的坐標(biāo)代入求出夾角. [跟蹤訓(xùn)練] 3.如圖3139所示,已知空間四邊形ABCD的各邊和對角線的長都等于a,點(diǎn)M,N分別是AB,CD的中點(diǎn). 圖3139 (1)求證:MN⊥AB,MN⊥CD; (2)求異面直線AN與CM所成角的余弦值. [解] (1)證明:設(shè)=p,=q,=r. 由題意可知,|p|=|q|=|r|=a,且p,q,r三個(gè)向量兩兩夾角均為60. =-=(+)- =(q+r-p), ∴=(q+r-p)p =(qp+rp-p2) =(a2cos 60+a2cos 60-a2)=0. ∴⊥,即MN⊥AB. 同理可證MN⊥CD. (2)設(shè)向量與的夾角為θ. ∵=(+)=(q+r), =-=q-p, ∴=(q+r) = = ==. 又∵||=||=a, ∴=||||cos θ=aacos θ=. ∴cos θ=. ∴向量與的夾角的余弦值為,從而異面直線AN與CM所成角的余弦值為. [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)固 雙 基] 1.已知向量a=(1,1,0),b=(-1,0,2),則|3a+b|為( ) A. B.4 C.5 D. D [3a+b=3(1,1,0)+(-1,0,2)=(3,3,0)+(-1,0,2)=(2,3,2),故|3a+b|==.] 2.已知A(3,3,3),B(6,6,6),O為原點(diǎn),則與的夾角是( ) A.0 B.π C.π D.2π B [=(3,3,3),=(-6,-6,-6) 則BO=33(-6)=-54,||=3,||=6 所以cos〈,〉===-1,所以〈,〉=π.] 3.已知a=(1,x,3),b=(-2,4,y),若a∥b,則x-y=________. 4 [∵a∥b,∴b=λa. ∴∴ ∴x-y=4.] 4.若a=(2,3,-1),b=(-2,1,3),則以a,b為鄰邊的平行四邊形的面積為________. 【導(dǎo)學(xué)號:46342156】 6 [ab=2(-2)+31+(-1)3=-4,|a|=,|b|=, ∴cos〈a,b〉==-. ∴sin〈a,b〉==. 因此以a,b為鄰邊的平行四邊形的面積為|a||b|sin〈a,b〉==6.] 5.在棱長為1的正方體ABCDA1B1C1D1中,E,F(xiàn)分別是D1D,BD的中點(diǎn),G在棱CD上,且CG=CD,H是C1G的中點(diǎn).利用空間向量解決下列問題: (1)求EF與B1C所成的角; (2)求EF與C1G所成角的余弦值; (3)求F,H兩點(diǎn)間的距離. [解] 如圖所示,以DA,DC,DD1為單位正交基底建立空間直角坐標(biāo)系Dxyz, 則D(0,0,0),E,F(xiàn),C(0,1,0),C1(0,1,1),B1(1,1,1),G. (1)=,=(-1,0,-1), ∴=(-1,0,-1)=(-1)+0+(-1)=0. ∴⊥,即EF⊥B1C. ∴EF與B1C所成的角為90. (2)因?yàn)椋? 則||=. 又||=,且=, ∴cos〈,〉==, 即EF與C1G所成角的余弦值為. (3)∵H是C1G的中點(diǎn),∴H. 又F, ∴FH=|| ==.- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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