8.5 空间直线、平面的平行

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

本目录装的是 §8.5 的开场与 §8.5.1 直线与直线平行(第 140—141 页)。整节 §8.5 要讲三层平行,这两页只走完第一层:

线线平行⟶线面平行⟶面面平行\text{线线平行} \longrightarrow \text{线面平行} \longrightarrow \text{面面平行}

后两层都要靠第一层去兑现:判定线面平行(§8.5.2),得先在面内找到一条与它平行的直线;判定面面平行(§8.5.3),得先找两条相交直线分别与另一个面平行——又落回找平行线。所以这两页不是过场,是地基。

这一层交付的东西只有两件:一条基本事实(空间里平行的传递性)和一条定理(等角定理)。下面按”先拿到工具,再看它能造什么”的顺序讲,与课本的叙述顺序一致。

一、基本事实 4:为什么它是”基本事实”,不是定理

课本先让你看一眼长方体 ABCD-A′B′C′D′ABCD\text{-}A'B'C'D':已知 DC∥ABDC \parallel AB、A′B′∥ABA'B' \parallel AB,那么 DCDC 与 A′B′A'B' 平行吗?再让你抬头看教室:黑板边所在直线 AA′AA' 与门框所在直线 CC′CC' 都平行于墙与墙的交线 BB′BB',那么 CC′∥AA′CC' \parallel AA' 吗?两处的答案都是”平行”。课本把这件事作为基本事实接受下来:

基本事实 4 平行于同一条直线的两条直线平行。

符号表示:

a∥c,b∥c⇒a∥b.a \parallel c, \quad b \parallel c \quad \Rightarrow \quad a \parallel b .

它表明:空间中平行于同一条直线的所有直线都互相平行。这条性质通常叫做平行线的传递性。

为什么不证它

初中在平面内学过同样的话,那时它是平行公理的推论,同样没有从更底下的东西证起。到了空间更没有可依托的东西:aa 与 bb 可能压根不在同一个平面上,而平行的定义是”在同一平面内且不相交”——想从定义出发证 a∥ba \parallel b,第一步就得先证 aa、bb 共面,而证共面又要用到平行。这是个循环。 于是课本把它列为第 4 条基本事实,与 §8.4.1 的三条平面基本事实并列,不加证明。

顺带记住一件在空间里特别容易忘的事:两条直线不相交,不一定平行——还可能是异面。基本事实 4 给出的结论是”平行”(因而共面),这正是它比”看上去不相交”值钱的地方。

它在这两页里的位置:唯一的”造平行线”工具

请留意此刻你手上有什么:线面平行(§8.5.2)还没学,面面平行(§8.5.3)也没学。在这两页里,要断定空间中两条直线平行,除了平面几何的老办法(中位线、平行四边形、同位角……)之外,就只剩基本事实 4。

所以它的用法是固定的一句话:要证 a∥ba \parallel b,就去找一条”中介”直线 cc,让 a∥ca \parallel c 且 b∥cb \parallel c。 底下的例 1 与等角定理的证明,用的都是这一句。

二、例 1:四个点不共面,四个中点却一定围出平行四边形

例 1 空间四边形 ABCDABCD 中,EE,FF,GG,HH 分别是边 ABAB,BCBC,CDCD,DADA 的中点。求证:四边形 EFGHEFGH 是平行四边形。

“空间四边形”的意思是 AA、BB、CC、DD 四点不共面——这正是题目的分量所在。四个顶点都翘在空间里,凭什么这四个中点就共面了、还偏偏围成平行四边形?

证明

连接 BDBD。

EE、HH 分别是 ABAB、ADAD 的中点,故 EHEH 是 △ABD\triangle ABD 的中位线,由三角形的中位线定理,

EH∥BD,EH=12BD.EH \parallel BD, \qquad EH = \frac{1}{2} BD .

同理,FF、GG 分别是 CBCB、CDCD 的中点,FGFG 是 △CBD\triangle CBD 的中位线,

FG∥BD,FG=12BD.FG \parallel BD, \qquad FG = \frac{1}{2} BD .

EHEH 与 FGFG 都平行于 BDBD,由基本事实 4 得 EH∥FGEH \parallel FG;又两者都等于 12BD\frac{1}{2} BD,故 EH=FGEH = FG。一组对边平行且相等,所以四边形 EFGHEFGH 是平行四边形。

课本把”平行且相等”缩写成 EH  ∥‾  FGEH \; \underline{\parallel} \; FG(平行号底下加一横)。看扫描图时认得这个记号就行,自己写证明时把两句话分开写更稳妥——漏掉”且相等”只能得到梯形,这是这道题最常见的失分处。

三处值得停一停

  1. BDBD 就是那条”中介”,它是连出来的。 题面里本来没有 BDBD。连它的理由很明确:EE、HH 在 △ABD\triangle ABD 里,FF、GG 在 △CBD\triangle CBD 里,这两个三角形共用的那条边正是 BDBD——中介直线要能同时够到两组中点,只能是它。若改连 ACAC,得到的是另一组对边 EF∥GHEF \parallel GH,也对,只是配的中点换了一对。
  2. “四个中点共面”是白拿的,不必另证。 EH∥FGEH \parallel FG 一旦成立,两条平行直线就确定了一个平面(平行的定义里已经含着共面),EE、FF、GG、HH 自动落在这个平面上。所以不必担心”它们会不会在空间里翘起来”——平行本身把它们摁平了。
  3. ABCDABCD 共不共面都不影响结论。 上面的推理一次都没用到四点不共面。共面时它退化成初中那道”顺次连接四边形四边中点得平行四边形”;不共面时结论一字不改。这正是基本事实 4 的价值:它让平面几何的中位线论证原样搬进空间。

课本的追问:再加上 AC=BDAC = BD 会怎样

课本在例 1 后面问了一句:如果再加上条件 AC=BDAC = BD,四边形 EFGHEFGH 是什么图形?

同样的手法,改连另一条对角线 ACAC:EFEF 是 △ABC\triangle ABC 的中位线,故 EF∥ACEF \parallel AC 且 EF=12ACEF = \frac{1}{2} AC。于是平行四边形 EFGHEFGH 的两条邻边分别是

EH=12BD,EF=12AC.EH = \frac{1}{2} BD, \qquad EF = \frac{1}{2} AC .

加上 AC=BDAC = BD 就得到 EF=EHEF = EH——邻边相等的平行四边形是菱形。

把这一族结论记全,它们全都只是”换一条对角线当中介”:

再添的条件EFGHEFGH 是靠的是哪一步
无平行四边形EH∥FGEH \parallel FG 且 EH=FGEH = FG
AC=BDAC = BD菱形邻边 EF=EHEF = EH
AC⊥BDAC \perp BD矩形EF∥ACEF \parallel AC、EH∥BDEH \parallel BD,夹角随之是直角
AC=BDAC = BD 且 AC⊥BDAC \perp BD正方形上面两条同时成立

第三、四行用到的”夹角随之是直角”不是显然的:EFEF、EHEH 与 ACAC、BDBD 并不在同一个平面上,凭什么它们的夹角跟着相等?这正是下一段那条定理管的事。

三、等角定理:把角”平移”到别处,角不变

平面内有一条熟悉的结论:如果一个角的两边与另一个角的两边分别对应平行,那么这两个角相等或互补。 课本在这里问:在空间中,这一结论是否仍然成立?

成立。而且”相等或互补”这两支的来历,看图就明白:两个角的两边分别对应平行时,只有两种摆法(课本图 8.5-4 画的就是这两种)——两组对应边同向,两角相等;有一组对应边反向,两角互补。所以这条定理的结论天生是两支的,不能只记”相等”那一半。

相等那一支怎么证

课本对图 8.5-4(1) 的办法是造一对全等三角形,让 ∠BAC\angle BAC 与 ∠B′A′C′\angle B'A'C' 成为它们的对应角。

作法(课本图 8.5-5):分别在 ∠BAC\angle BAC 和 ∠B′A′C′\angle B'A'C' 的两边上截取 ADAD、AEAE 和 A′D′A'D'、A′E′A'E',使得 AD=A′D′AD = A'D',AE=A′E′AE = A'E';再连接 AA′AA'、DD′DD'、EE′EE'、DEDE、D′E′D'E'。

接下来每一步都只用两样东西——“平行且相等 ⇒\Rightarrow 平行四边形”和基本事实 4:

  1. AD∥A′D′AD \parallel A'D' 且 AD=A′D′AD = A'D',故 ADD′A′ADD'A' 是平行四边形,于是 DD′∥AA′DD' \parallel AA' 且 DD′=AA′DD' = AA';
  2. 同理 AEE′A′AEE'A' 是平行四边形,于是 EE′∥AA′EE' \parallel AA' 且 EE′=AA′EE' = AA';
  3. DD′DD' 与 EE′EE' 都平行于 AA′AA'——由基本事实 4 得 DD′∥EE′DD' \parallel EE';又都等于 AA′AA',故 DD′=EE′DD' = EE';
  4. 于是 DD′E′EDD'E'E 是平行四边形,得 DE=D′E′DE = D'E';
  5. △ADE\triangle ADE 与 △A′D′E′\triangle A'D'E' 三边对应相等,全等,故 ∠DAE=∠D′A′E′\angle DAE = \angle D'A'E',即 ∠BAC=∠B′A′C′\angle BAC = \angle B'A'C'。

第 3 步是整条链的枢纽,而它就是基本事实 4。注意 AA′AA' 在这里扮演的正是例 1 里 BDBD 的角色:一条自己连出来的中介直线。 这两页真正教的就是这一套动作。

课本正文到第 141 页末停在第 1 步的 AD  ∥‾  A′D′AD \; \underline{\parallel} \; A'D',后面的收尾(以及互补那一支)印在第 142 页起,那一页归 §8.5.2 的目录。要对着原文读,翻那一节的扫描图。

这条定理平时怎么用

它给的是一张搬运角度的许可证:两条边各自平移到别处,只要方向不变,角就不变。上一段表格里”AC⊥BDAC \perp BD ⇒\Rightarrow EFGHEFGH 是矩形”用的就是它。再往后,异面直线所成的角之所以能”把两条线都平移到一点再量”,靠的也是这条定理——平移之后角不变这件事需要被证明,而证明就在这里。

四、这两页的易错清单

按容易失手的程度排:

  1. 把”不相交”当成”平行”。 空间里两条直线不相交有两种可能:平行,或者异面。只有基本事实 4(或平面几何的老办法)能给出”平行”,“看着不相交”给不出。
  2. 中位线配错了边。 EHEH 在 △ABD\triangle ABD 里绕开的是顶点 AA,配的就是 AA 所对的边 BDBD;随手写成 EH∥ACEH \parallel AC 全盘皆错。中位线永远平行于它绕开的那个顶点所对的边。
  3. 只写平行、漏掉相等。 “一组对边平行”只能得到梯形;平行四边形的这条判定要的是一组对边平行且相等,两个条件都得落到纸上。
  4. 找中介直线时不找公共边。 例 1 里连 BDBD 不是随便连的——它是那两个三角形共用的边。等角定理证明里连 AA′AA' 同理。选错了中介,两边够不到一块儿。
  5. 等角定理只记住了”相等”。 它说的是”相等或互补”。题目里看不出两组对应边的方向时,两种情形都得留着。

五、往下读

这两页学完,手上就有了在空间里”造平行线”的唯一工具。接着往下:

  • §8.5.2 直线与平面平行——判定定理把线线平行翻译成线面平行,它的例题证法与本节例 1 几乎一模一样:连一条中位线,再加一句话;
  • §8.5.3 平面与平面平行——再把线面平行翻译成面面平行。

三节连起来是一条单向的翻译链,每一层都要回到前一层去找一条平行线。所以例 1 那套动作——连一条公共边当中介、用中位线造平行、用基本事实 4 收口——值得练熟,后面两节还要反复用。

原书转写(OCR,供核对)

共 2 页· 默认折起

机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

8.5 空间直线、平面的平行

在平面几何的学习中,我们研究过两条直线的位置关系,重点研究了两条直线平行,得到了这种特殊位置关系的性质,以及判定两条直线平行的定理。类似地,空间中直线、平面间的平行关系在生产和生活中有着广泛的应用,也是我们要重点研究的内容。本节我们研究空间中直线、平面的平行关系,重点研究这些平行关系的判定和性质。

8.5.1 直线与直线平行

我们知道,在同一平面内,不相交的两条直线是平行直线,并且当两条直线都与第三条直线平行时,这两条直线互相平行。在空间中,是否也有类似的结论?

观察

如图 8.5-1,在长方体 ABCD−A′B′C′D′ABCD-A'B'C'D' 中, DC∥ABDC \parallel AB , A′B′∥ABA'B' \parallel AB 。DC 与 A′B′A'B' 平行吗?

观察你所在的教室,你能找到类似的实例吗?

图8.5-1

可以发现, DC∥A′B′DC \parallel A'B' 。再观察我们所在的教室(图8.5-2),黑板边所在直线 AA′AA' 和门框所在直线 CC′CC' 都平行于墙与墙的交线 BB′BB' ,那么 CC′∥AA′CC' \parallel AA' 。这说明空间中的平行直线具有与平面内的平行直线类似的性质。我们把它作为基本事实。

基本事实 4 平行于同一条直线的两条直线平行.

基本事实 4 表明,空间中平行于同一条直线的所有直线都互相平行。它给出了判断空间两条直线平行的依据。基本事实 4 表述的性质通常叫做平行线的传递性。

图8.5-2

例 1 如图 8.5-3,空间四边形 ABCD 中,E,F,G,H 分别是边 AB,BC,CD,DA 的中点。求证:四边形 EFGH 是平行四边形。

分析:要证明四边形 EFGHEFGH 是平行四边形,只需证明它的一组对边平行且相等.而 EHEH , FGFG 分别是 △ABD\triangle ABD 和 △CBD\triangle CBD 的中位线,从而它们都与 BDBD 平行且等于 BDBD 的一半.应用基本事实4,即可证明 EH⊥⊥FGEH \perp \perp FG

图8.5-3

证明:连接 BD.

∵ EH 是△ABD 的中位线,

∴ EH∥BDEH \parallel BD ,且 EH=12BDEH = \frac{1}{2} BD .

同理 FG∥BDFG \parallel BD ,且 FG=12BDFG = \frac{1}{2} BD .

∴EH⊥FG.\therefore \quad E H \perp F G.

在本例中,如果再加上条件 AC=BDAC = BD ,那么四边形EFGH是什么图形?

∴ 四边形 EFGH 为平行四边形.

思考

在平面内,如果一个角的两边与另一个角的两边分别对应平行,那么这两个角相等或互补。在空间中,这一结论是否仍然成立呢?

与平面中的情况类似,当空间中两个角的两条边分别对应平行时,这两个角有如图8.5-4所示的两种位置.

(1)

(2)图8.5-4

对于图 8.5-4(1),我们可以构造两个全等三角形,使 ∠BAC\angle BAC 和 ∠B′A′C′\angle B'A'C' 是它们的对应角,从而证明 ∠BAC=∠B′A′C′\angle BAC = \angle B'A'C' .

如图 8.5-5,分别在 ∠BAC\angle BAC 和 ∠B′A′C′\angle B^{\prime}A^{\prime}C^{\prime} 的两边上截取 AD,AE 和 A′D′A^{\prime}D^{\prime} , A′E′A^{\prime}E^{\prime} ,使得 AD=A′D′AD = A^{\prime}D^{\prime} , AE=A′E′AE = A^{\prime}E^{\prime} 。连接 AA′AA^{\prime} , DD′DD^{\prime} , EE′EE^{\prime} ,DE, D′E′D^{\prime}E^{\prime} 。

∵AD∥‾A′D′,\because A D \underline {{\parallel}} A ^ {\prime} D ^ {\prime},