1.2 空间向量基本定理

人教 A 版 · 本节 5 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解没有考过 ↓

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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。

这一节只讲一件事:空间里任取三个不共面的向量,就能唯一地表示所有向量。 它是平面向量基本定理的升维版,也是整章的转折点——有了它, 「几何对象」与「三个数」之间才真正接上,下一节的坐标表示不过是把这三个数写进括号里。

(下面用 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 表示向量,与课本的黑体一致。)

先看两两垂直的特殊情形

设 i\boldsymbol{i}、j\boldsymbol{j}、k\boldsymbol{k} 是空间中三个两两垂直的向量, 表示它们的有向线段有公共起点 OO。对任意 p=OP→\boldsymbol{p} = \overrightarrow{OP}, 设 OQ→\overrightarrow{OQ} 是 OP→\overrightarrow{OP} 在 i\boldsymbol{i}、j\boldsymbol{j} 所确定的平面上的投影向量,则

OP→=OQ→+QP→.\overrightarrow{OP} = \overrightarrow{OQ} + \overrightarrow{QP}.

QP→\overrightarrow{QP} 与 k\boldsymbol{k} 共线,故存在唯一实数 zz 使 QP→=zk\overrightarrow{QP} = z\boldsymbol{k}; 而 OQ→\overrightarrow{OQ} 落在一张平面里,由平面向量基本定理,存在唯一有序实数对 (x, y)(x,\ y) 使 OQ→=xi+yj\overrightarrow{OQ} = x\boldsymbol{i} + y\boldsymbol{j}。两式合起来:

p=xi+yj+zk.\boldsymbol{p} = x\boldsymbol{i} + y\boldsymbol{j} + z\boldsymbol{k}.

xix\boldsymbol{i}、yjy\boldsymbol{j}、zkz\boldsymbol{k} 分别叫做 p\boldsymbol{p} 在 i\boldsymbol{i}、j\boldsymbol{j}、k\boldsymbol{k} 上的分向量。

这个推导的骨架值得记住:先把空间问题投影成平面问题(降一维), 用已知的平面定理解决,再把丢掉的那一维加回来。垂直只是让投影好算, 本质上并不必要——这就引出下面的一般情形。

空间向量基本定理

定理 如果三个向量 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 不共面, 那么对任意一个空间向量 p\boldsymbol{p},存在唯一的有序实数组 (x, y, z)(x,\ y,\ z),使

p=xa+yb+zc.\boldsymbol{p} = x\boldsymbol{a} + y\boldsymbol{b} + z\boldsymbol{c}.

存在性用同一套「投影 + 补一维」的办法:把 p\boldsymbol{p} 平移成 OP→\overrightarrow{OP}, 过 PP 作平行于 c\boldsymbol{c} 的直线,交 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 决定的平面于 QQ (因为 c\boldsymbol{c} 不平行于那张平面,这条直线一定与它相交),则 QP→=zc\overrightarrow{QP} = z\boldsymbol{c},而 OQ→=xa+yb\overrightarrow{OQ} = x\boldsymbol{a}+y\boldsymbol{b}。

唯一性是这条定理里更要紧的一半,证法是标准的「作差」:若

x1a+y1b+z1c=x2a+y2b+z2c,x_1\boldsymbol{a}+y_1\boldsymbol{b}+z_1\boldsymbol{c} = x_2\boldsymbol{a}+y_2\boldsymbol{b}+z_2\boldsymbol{c},

移项得 (x1−x2)a+(y1−y2)b+(z1−z2)c=0(x_1-x_2)\boldsymbol{a} + (y_1-y_2)\boldsymbol{b} + (z_1-z_2)\boldsymbol{c} = \boldsymbol{0}。 若 z1≠z2z_1 \neq z_2,可解出

c=−x1−x2z1−z2a−y1−y2z1−z2b,\boldsymbol{c} = -\frac{x_1-x_2}{z_1-z_2}\boldsymbol{a} - \frac{y_1-y_2}{z_1-z_2}\boldsymbol{b},

由共面判定,c\boldsymbol{c} 与 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 共面,与「三向量不共面」矛盾。 故 z1=z2z_1 = z_2;同理 x1=x2x_1 = x_2、y1=y2y_1 = y_2。■\blacksquare

唯一性的用处:正因为分解唯一,「比较系数」才是合法的推理步骤。 后面凡是遇到「求 xx、yy 的值」「判断两个向量是否相等」,靠的都是这一条。

基底与正交分解

若 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 不共面,则所有空间向量组成的集合就是

{p∣p=xa+yb+zc, x, y, z∈R},\left\{\boldsymbol{p} \mid \boldsymbol{p} = x\boldsymbol{a}+y\boldsymbol{b}+z\boldsymbol{c},\ x,\ y,\ z \in \mathbf{R}\right\},

我们把 {a, b, c}\{\boldsymbol{a},\ \boldsymbol{b},\ \boldsymbol{c}\} 叫做空间的一个基底, a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 都叫做基向量。

三个向量能构成基底  ⟺  它们不共面.\textbf{三个向量能构成基底} \iff \textbf{它们不共面}.

这条等价关系是本节所有判断题的唯一依据。特别注意:基向量都必须非零 (零向量与任意两个向量必共面),且两两不共线。

若基底中三个基向量两两垂直且长度都为 11,就叫单位正交基底,常记作 {i, j, k}\{\boldsymbol{i},\ \boldsymbol{j},\ \boldsymbol{k}\}。 把一个空间向量分解成三个两两垂直的向量,叫做正交分解。

为什么单独给正交基底一个名字:因为在它下面,数量积的计算塌成最简单的形状—— 交叉项全为 00,i2=j2=k2=1\boldsymbol{i}^2 = \boldsymbol{j}^2 = \boldsymbol{k}^2 = 1,于是

(x1i+y1j+z1k)⋅(x2i+y2j+z2k)=x1x2+y1y2+z1z2.(x_1\boldsymbol{i}+y_1\boldsymbol{j}+z_1\boldsymbol{k})\cdot(x_2\boldsymbol{i}+y_2\boldsymbol{j}+z_2\boldsymbol{k}) = x_1x_2 + y_1y_2 + z_1z_2.

这正是下一节坐标运算的全部内容。一般基底也能算,只是要老老实实带上六个两两数量积。

用基底解题的三步

  1. 选基:挑三个不共面的向量,通常取几何体过同一顶点的三条棱。 题目给了哪三条棱的长度与两两夹角,就选哪三条——选基的标准是「数据齐全」,不是「好看」。
  2. 表示:把题目涉及的每个向量都拆成基向量的线性组合。 拆的办法只有两招:首尾相接,或同起点相减。
  3. 运算:把要证/要求的东西写成数量积或线性关系,展开、代入六个已知量 (三个模的平方 + 三个两两数量积),算出结果。

三步里最花心思的是第 1 步,剩下两步都是机械的。

例:证垂直

在平行六面体 ABCD-A1B1C1D1ABCD\text{-}A_1B_1C_1D_1 中,AB=4AB = 4、AD=4AD = 4、AA1=5AA_1 = 5, ∠DAB=∠BAA1=∠DAA1=60∘\angle DAB = \angle BAA_1 = \angle DAA_1 = 60^\circ,MM、NN 分别是 D1C1D_1C_1、C1B1C_1B_1 的中点,求证 MN⊥AC1MN \perp AC_1。

选基:a=AB→\boldsymbol{a} = \overrightarrow{AB}、b=AD→\boldsymbol{b} = \overrightarrow{AD}、c=AA1→\boldsymbol{c} = \overrightarrow{AA_1}, 题目恰好给全了这三条棱的长度与两两夹角。

表示:

MN→=MC1→+C1N→=12a−12b,AC1→=a+b+c.\overrightarrow{MN} = \overrightarrow{MC_1} + \overrightarrow{C_1N} = \frac{1}{2}\boldsymbol{a} - \frac{1}{2}\boldsymbol{b}, \qquad \overrightarrow{AC_1} = \boldsymbol{a} + \boldsymbol{b} + \boldsymbol{c}.

运算:

MN→⋅AC1→=12(a−b)⋅(a+b+c)=12(a2−b2+a⋅c−b⋅c).\overrightarrow{MN}\cdot\overrightarrow{AC_1} = \frac{1}{2}\left(\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\right)\cdot\left(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}\right) = \frac{1}{2}\left(\boldsymbol{a}^2 - \boldsymbol{b}^2 + \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}\right).

由 ∣a∣=∣b∣=4|\boldsymbol{a}| = |\boldsymbol{b}| = 4 得 a2=b2\boldsymbol{a}^2 = \boldsymbol{b}^2; 由 ∠BAA1=∠DAA1\angle BAA_1 = \angle DAA_1 且 ∣a∣=∣b∣|\boldsymbol{a}| = |\boldsymbol{b}| 得 a⋅c=b⋅c\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}。 两对全部抵消,结果为 00,故 MN⊥AC1MN \perp AC_1。■\blacksquare

注意这个证明里 ∠DAB=60∘\angle DAB = 60^\circ 根本没用上。抵消只依赖两件事: AB=ADAB = AD,以及 AA1AA_1 与两者的夹角相等。看清哪些条件真正参与,是这类题的关键。

例:正交基底下求夹角

正方体 ABCD-A′B′C′D′ABCD\text{-}A'B'C'D' 棱长为 11,EE、FF、GG 分别是 C′D′C'D'、A′D′A'D'、D′DD'D 的中点。 取 i=DA→\boldsymbol{i} = \overrightarrow{DA}、j=DC→\boldsymbol{j} = \overrightarrow{DC}、k=DD′→\boldsymbol{k} = \overrightarrow{DD'},这是一个单位正交基底。

(1) 证 EF∥ACEF \parallel AC:

EF→=D′F→−D′E→=12i−12j,CA→=DA→−DC→=i−j,\overrightarrow{EF} = \overrightarrow{D'F} - \overrightarrow{D'E} = \frac{1}{2}\boldsymbol{i} - \frac{1}{2}\boldsymbol{j}, \qquad \overrightarrow{CA} = \overrightarrow{DA} - \overrightarrow{DC} = \boldsymbol{i} - \boldsymbol{j},

故 EF→=12CA→\overrightarrow{EF} = \dfrac{1}{2}\overrightarrow{CA},两者共线,且 EE 不在直线 ACAC 上,所以 EF∥ACEF \parallel AC。

(2) 求 CECE 与 AGAG 所成角的余弦值:

CE→=CC′→+C′E→=−12j+k,AG→=AD→+DG→=−i+12k,\overrightarrow{CE} = \overrightarrow{CC'} + \overrightarrow{C'E} = -\frac{1}{2}\boldsymbol{j} + \boldsymbol{k}, \qquad \overrightarrow{AG} = \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{DG} = -\boldsymbol{i} + \frac{1}{2}\boldsymbol{k}, cos⁡⟨CE→, AG→⟩=CE→⋅AG→∣CE→∣∣AG→∣=1252×52=25.\cos\left\langle \overrightarrow{CE},\ \overrightarrow{AG}\right\rangle = \frac{\overrightarrow{CE}\cdot\overrightarrow{AG}}{\left|\overrightarrow{CE}\right|\left|\overrightarrow{AG}\right|} = \frac{\frac{1}{2}}{\frac{\sqrt5}{2}\times\frac{\sqrt5}{2}} = \frac{2}{5}.

证共线要补一句「不重合」:EF→=12CA→\overrightarrow{EF} = \dfrac12\overrightarrow{CA} 只说明两条直线平行或重合, EE 在上底面、直线 ACAC 在下底面,故不重合,才能断定 EF∥ACEF \parallel AC。这一步常被漏掉。

求线线角要留意符号:向量夹角的范围是 [0, π][0,\ \pi],而两条直线的夹角规定在 [0, π2]\left[0,\ \dfrac{\pi}{2}\right]。 若算出的余弦为负,直线所成角的余弦应取它的绝对值。本例算出 25>0\dfrac25 > 0,正好直接可用。

什么时候基底法比建系强

下一节(§1.3)会教”取单位正交基底 →\to 铺坐标系 →\to 直接算”,那套更机械、更不容易错, 于是很多人从此再不用一般基底。这里要提前说清楚:建系并不总是更快, 一般基底在下面三种场合明显占优。

  1. 底面不是矩形。 菱形、正三角形、一般平行四边形要铺坐标,得先把各顶点的坐标解出来, 常常带一串 3\sqrt{3};基底法只需要一个 a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θ\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}=\lvert\boldsymbol{a}\rvert\lvert\boldsymbol{b}\rvert\cos\theta, 夹角就地入表。
  2. 只问一两个量。 为求一个夹角、一段长度铺一整套坐标不划算,何况坐标法的中间量 (七八个点的坐标、两次方程组)全是一次性的。
  3. 图形还没定死。 含参、动点的题里,基底法把参数留在系数里, 而坐标法每换一个参数值就要重算一遍坐标。

反过来,要同时求好几个法向量、或者要判断很多组垂直平行时,坐标法更整齐—— 一次铺好,之后每一问都便宜。

还有一条常被忽略的好处:基底法会自己告诉你哪些条件没用上。上面那道平行六面体的题里 ∠DAB=60∘\angle DAB=60^\circ 全程没出现;坐标法把它揉进坐标后,这件事就看不见了。

顺着这条门读一道真题:浙江 2012 年第 20 题

四棱锥 P-ABCDP\text{-}ABCD,底面是 ∠BAD=120∘\angle BAD=120^\circ、边长 232\sqrt{3} 的菱形, PA⊥PA\perp 底面且 PA=26PA=2\sqrt{6},MM、NN 是 PBPB、PDPD 的中点;过 AA 作 AQ⊥PCAQ\perp PC 于 QQ, 求二面角 A-MN-QA\text{-}MN\text{-}Q 的余弦值。

底面是菱形——第 1 种场合。 原卷的解法一把原点放在两条对角线的交点上, 写了七个点的空间坐标、解了两次方程组。用基底走一遍,看它短多少。

选基:b=AB→\boldsymbol{b}=\overrightarrow{AB}、d=AD→\boldsymbol{d}=\overrightarrow{AD}、p=AP→\boldsymbol{p}=\overrightarrow{AP}。 内积表只要三个数(其余由对称性):

b2=d2=12,b⋅d=12cos⁡120∘=−6,p⋅b=p⋅d=0,p2=24.\boldsymbol{b}^2=\boldsymbol{d}^2=12,\quad \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{d}=12\cos 120^\circ=-6,\quad \boldsymbol{p}\cdot\boldsymbol{b}=\boldsymbol{p}\cdot\boldsymbol{d}=0,\quad \boldsymbol{p}^2=24 .

第(Ⅰ)问一行。 AM→=12(p+b)\overrightarrow{AM}=\frac12(\boldsymbol{p}+\boldsymbol{b})、 AN→=12(p+d)\overrightarrow{AN}=\frac12(\boldsymbol{p}+\boldsymbol{d}),故

MN→=AN→−AM→=12(d−b)=12BD→,\overrightarrow{MN}=\overrightarrow{AN}-\overrightarrow{AM}=\frac12(\boldsymbol{d}-\boldsymbol{b})=\frac12\overrightarrow{BD},

于是 MN∥BDMN\parallel BD,而 BDBD 在底面内、MNMN 不在,所以 MN∥MN\parallel 平面 ABCDABCD。

顺手把结构看穿。 记 c=AC→=b+d\boldsymbol{c}=\overrightarrow{AC}=\boldsymbol{b}+\boldsymbol{d},则

c2=12+12+2(−6)=12,BD→⋅c=(d−b)⋅(d+b)=d2−b2=0,BD→⋅p=0.\boldsymbol{c}^2=12+12+2(-6)=12,\qquad \overrightarrow{BD}\cdot\boldsymbol{c}=(\boldsymbol{d}-\boldsymbol{b})\cdot(\boldsymbol{d}+\boldsymbol{b})=\boldsymbol{d}^2-\boldsymbol{b}^2=0,\qquad \overrightarrow{BD}\cdot\boldsymbol{p}=0 .

第一式就是 AC=23AC=2\sqrt{3}(等于边长,120∘120^\circ 菱形的招牌); 后两式合起来说 BD⊥BD\perp 平面 PACPAC。“菱形的对角线互相垂直”在基底里只是”两边等长”这一句, 不用画图、不用记性质。

第(Ⅱ)问。 取 MNMN 的中点 EE,那么 AE→=AM→+AN→2=12p+14c\overrightarrow{AE}=\frac{\overrightarrow{AM}+\overrightarrow{AN}}{2}=\frac12\boldsymbol{p}+\frac14\boldsymbol{c}—— 它正好是 POPO 的中点(OO 为菱形中心),所以 EE 在平面 PACPAC 上。 配上 MN⊥MN\perp 平面 PACPAC,这张平面就是 MNMN 的中垂面, 于是二面角的平面角是 ∠AEQ\angle AEQ(这一步是立体几何的道理,向量只负责算)。 由直角三角形 PACPAC 的三边 23,26,62\sqrt{3},2\sqrt{6},6 得 PQ=4PQ=4、QC=2QC=2,即 QQ 分 PCPC 为 2:12:1:

AQ→=p+23(c−p)=13p+23c,EA→=−14c−12p,EQ→=512c−16p.\overrightarrow{AQ}=\boldsymbol{p}+\frac23(\boldsymbol{c}-\boldsymbol{p})=\frac13\boldsymbol{p}+\frac23\boldsymbol{c},\qquad \overrightarrow{EA}=-\frac14\boldsymbol{c}-\frac12\boldsymbol{p},\qquad \overrightarrow{EQ}=\frac{5}{12}\boldsymbol{c}-\frac16\boldsymbol{p} .

因为 c⋅p=0\boldsymbol{c}\cdot\boldsymbol{p}=0,展开后交叉项全灭:

EA→⋅EQ→=−548c2+112p2=−54+2=34,\overrightarrow{EA}\cdot\overrightarrow{EQ}=-\frac{5}{48}\boldsymbol{c}^2+\frac{1}{12}\boldsymbol{p}^2=-\frac54+2=\frac34, ∣EA→∣2=116⋅12+14⋅24=274,∣EQ→∣2=25144⋅12+136⋅24=114,\lvert\overrightarrow{EA}\rvert^2=\frac{1}{16}\cdot 12+\frac14\cdot 24=\frac{27}{4},\qquad \lvert\overrightarrow{EQ}\rvert^2=\frac{25}{144}\cdot 12+\frac{1}{36}\cdot 24=\frac{11}{4}, cos⁡∠AEQ=3/4332⋅112=3333.\cos\angle AEQ=\frac{3/4}{\frac{3\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{\sqrt{11}}{2}}=\frac{\sqrt{33}}{33}.

再数一遍这条路用掉的条件:只有 c2=12\boldsymbol{c}^2=12 与 c⋅p=0\boldsymbol{c}\cdot\boldsymbol{p}=0 两个数。 120∘120^\circ 这个角只在算 c2\boldsymbol{c}^2 时露过一次面,之后再没出现—— 把底面换成任何”对角线 AC=23AC=2\sqrt{3} 且 BD⊥ACBD\perp AC“的四边形,答案一字不改。 这就是上面说的第三条好处:基底法自己把”哪些条件真正参与”摆在你眼前。

这一节在整章中的位置

阶段能表示什么靠什么
§1.1.1 线性运算共线、共面这类位置关系首尾相接、数乘
§1.1.2 数量积长度、夹角、垂直a⋅b=0\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = 0、a2=∣a∣2\boldsymbol{a}^2 = \lvert\boldsymbol{a}\rvert^2
§1.2 基本定理任意向量 →\to 三个数不共面 ⇒\Rightarrow 分解存在且唯一
§1.3 坐标表示三个数 →\to 直接算取单位正交基底

本节是中间那一跳:在它之前,向量运算还依赖图形;在它之后,一切都可以只对着系数算。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节目录下这五页上印着三组题,共 14 道,逐题全做。第 12 页(page-0017)末尾的练习 3 道紧接在 「空间向量基本定理」与基底的概念之后,练的是判定与表示;第 14 页(page-0019)的练习 3 道 在两个例题之后,练的是用基底算垂直与夹角;「习题 1.2」8 道印在第 15 页(page-0020),一并收齐。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

全篇反复用到的几条,写在这里,后面不再重复推导:

  • 基底的判据:{a, b, c}\{\boldsymbol{a},\ \boldsymbol{b},\ \boldsymbol{c}\} 构成空间的一个基底   ⟺  \iff 三个向量不共面。含零向量、或有两个共线,都必共面,一律不是基底。
  • 共面的判据:a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 不共线时,p\boldsymbol{p} 与它们共面   ⟺  \iff 存在唯一 (x, y)(x,\ y) 使 p=xa+yb\boldsymbol{p} = x\boldsymbol{a}+y\boldsymbol{b}。 判断三个向量共面,标准动作就是试着把其中一个写成另两个的线性组合。
  • 分解的唯一性:不共面的三个向量下,任何向量的分解系数唯一。所以「比较系数」是合法推理。
  • 拆向量只有两招:首尾相接 XY→+YZ→=XZ→\overrightarrow{XY}+\overrightarrow{YZ} = \overrightarrow{XZ}, 同起点相减 OY→−OX→=XY→\overrightarrow{OY}-\overrightarrow{OX} = \overrightarrow{XY}。
  • 中点公式:MM 是 PQPQ 的中点   ⟺  OM→=12(OP→+OQ→)\iff \overrightarrow{OM} = \dfrac{1}{2}\left(\overrightarrow{OP}+\overrightarrow{OQ}\right)。
  • 一般基底下的数量积:把两个向量都写成 xa+yb+zcx\boldsymbol{a}+y\boldsymbol{b}+z\boldsymbol{c} 后展开, 需要的已知量恰是三个模的平方 + 三个两两数量积,共六个数。
  • 线线角:向量夹角范围是 [0∘, 180∘][0^\circ,\ 180^\circ],两条直线所成角规定在 [0∘, 90∘][0^\circ,\ 90^\circ], 所以最后要取余弦的绝对值。

练习(第 12 页)第 1 题

  1. 已知 {a,b,c}\{a, b, c\} 是空间的一个基底,从 a,b,ca, b, c 中选哪一个向量,一定可以与向量 p=a+bp = a + b

q=a−bq = a - b

(题面在这里被排版断开了,完整的问法是:从 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 中选哪一个向量, 一定可以与 p=a+b\boldsymbol{p} = \boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}、q=a−b\boldsymbol{q} = \boldsymbol{a}-\boldsymbol{b} 构成空间的另一个基底。)

答案:选 c\boldsymbol{c}。

先排除 a\boldsymbol{a} 与 b\boldsymbol{b}。 注意

a=12(p+q),b=12(p−q),\boldsymbol{a} = \frac{1}{2}(\boldsymbol{p}+\boldsymbol{q}), \qquad \boldsymbol{b} = \frac{1}{2}(\boldsymbol{p}-\boldsymbol{q}),

也就是说 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 都能写成 p\boldsymbol{p}、q\boldsymbol{q} 的线性组合, 按共面判据,{p, q, a}\{\boldsymbol{p},\ \boldsymbol{q},\ \boldsymbol{a}\} 与 {p, q, b}\{\boldsymbol{p},\ \boldsymbol{q},\ \boldsymbol{b}\} 都是共面的三个向量,构不成基底。

再验证 c\boldsymbol{c} 可以。 设

xp+yq+zc=0,x\boldsymbol{p} + y\boldsymbol{q} + z\boldsymbol{c} = \boldsymbol{0},

即 (x+y)a+(x−y)b+zc=0(x+y)\boldsymbol{a} + (x-y)\boldsymbol{b} + z\boldsymbol{c} = \boldsymbol{0}。因为 {a, b, c}\{\boldsymbol{a},\ \boldsymbol{b},\ \boldsymbol{c}\} 是基底、 分解唯一(零向量的分解只能是全零系数),所以

x+y=0,x−y=0,z=0,x + y = 0, \qquad x - y = 0, \qquad z = 0,

解得 x=y=z=0x = y = z = 0。这说明 p\boldsymbol{p}、q\boldsymbol{q}、c\boldsymbol{c} 中任何一个都不能写成另两个的线性组合, 三者不共面,{p, q, c}\{\boldsymbol{p},\ \boldsymbol{q},\ \boldsymbol{c}\} 构成空间的一个基底。■\blacksquare

几何图景:p\boldsymbol{p} 与 q\boldsymbol{q} 都落在 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 张成的那张平面里 (它们是那张平面上一个平行四边形的两条对角线),而 c\boldsymbol{c} 是唯一一个不在这张平面里的基向量, 所以只有它能把维数补齐。

练习(第 12 页)第 2 题

  1. 已知 O,A,B,CO, A, B, C 为空间的四个点,且向量 OA→,OB→,OC→\overrightarrow{OA}, \overrightarrow{OB}, \overrightarrow{OC} 不构成空间的一个基底,那么点 O,A,B,CO, A, B, C 是否共面?

共面。

推理只有两步。 第一步用基底的判据:三个向量不构成基底,等价于它们共面。 第二步用「共面 + 公共起点」:OA→\overrightarrow{OA}、OB→\overrightarrow{OB}、OC→\overrightarrow{OC} 共面, 说明它们平行于同一张平面 α\alpha;而它们的起点都是 OO,把 α\alpha 平移到过 OO, 三条有向线段就整个落在这张过 OO 的平面内,于是它们的终点 AA、BB、CC 与 OO 都在这张平面上。

退化情形也成立:若某个向量是零向量(比如 A=OA = O),或有两个向量共线, 三个向量仍然共面,而四个点也仍然共面(此时不同的点至多三个,三点必共面)。

反过来也对,可以合成一句话:

O, A, B, C 四点共面  ⟺  OA→, OB→, OC→ 不构成基底.O,\ A,\ B,\ C \text{ 四点共面} \iff \overrightarrow{OA},\ \overrightarrow{OB},\ \overrightarrow{OC} \text{ 不构成基底}.

这条等价关系是判定四点共面的标准工具:要证四点共面,就取一点作公共起点, 证另三个向量共面(即能写成 p=xa+yb\boldsymbol{p} = x\boldsymbol{a}+y\boldsymbol{b} 的样子)。

练习(第 12 页)第 3 题

  1. 如图,已知平行六面体 OABC−O′A′B′C′OABC-O'A'B'C' ,点 G 是侧面 BB′C′CBB'C'C 的中心,且 OA→=a,OC→=b,OO′→=c\overrightarrow{OA}=a,\overrightarrow{OC}=b,\overrightarrow{OO'}=c .

(1) {a,b,c}\{a, b, c\} 是否构成空间的一个基底?

(2) 如果 {a,b,c}\{a, b, c\} 构成空间的一个基底,那么用它表示下列向量: OB′→\overrightarrow{OB'} , BA′→\overrightarrow{BA'} , CA′→\overrightarrow{CA'} , OG→\overrightarrow{OG} .

先把图读清楚:底面 OABCOABC 是平行四边形(顶点按这个顺序绕行),所以 OB→=a+b\overrightarrow{OB} = \boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}; 四条侧棱平行且相等,OO′→=AA′→=BB′→=CC′→=c\overrightarrow{OO'} = \overrightarrow{AA'} = \overrightarrow{BB'} = \overrightarrow{CC'} = \boldsymbol{c}。

(1) 构成。 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 是平行六面体过同一顶点 OO 的三条棱所表示的向量。 若它们共面,六面体的八个顶点会全落在一张平面上,图形退化,与「平行六面体」矛盾。故三者不共面,构成基底。

(2) 逐个拆。

OB′→\overrightarrow{OB'}:

OB′→=OB→+BB′→=a+b+c.\overrightarrow{OB'} = \overrightarrow{OB} + \overrightarrow{BB'} = \boldsymbol{a} + \boldsymbol{b} + \boldsymbol{c}.

BA′→\overrightarrow{BA'}:

BA′→=BA→+AA′→=(OA→−OB→)+c=(a−a−b)+c=−b+c.\overrightarrow{BA'} = \overrightarrow{BA} + \overrightarrow{AA'} = \left(\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OB}\right) + \boldsymbol{c} = \left(\boldsymbol{a}-\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\right) + \boldsymbol{c} = -\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}.

CA′→\overrightarrow{CA'}:

CA′→=CA→+AA′→=(OA→−OC→)+c=a−b+c.\overrightarrow{CA'} = \overrightarrow{CA} + \overrightarrow{AA'} = \left(\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OC}\right) + \boldsymbol{c} = \boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}.

OG→\overrightarrow{OG}:GG 是侧面 BB′C′CBB'C'C 的中心,也就是这个平行四边形对角线 BC′BC' 的中点,用中点公式

OG→=12(OB→+OC′→)=12[(a+b)+(b+c)]=12a+b+12c.\overrightarrow{OG} = \frac{1}{2}\left(\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OC'}\right) = \frac{1}{2}\left[(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}) + (\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c})\right] = \frac{1}{2}\boldsymbol{a} + \boldsymbol{b} + \frac{1}{2}\boldsymbol{c}.

自检(换另一条对角线):GG 也是 B′CB'C 的中点,

12(OB′→+OC→)=12[(a+b+c)+b]=12a+b+12c ✓,\frac{1}{2}\left(\overrightarrow{OB'}+\overrightarrow{OC}\right) = \frac{1}{2}\left[(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}) + \boldsymbol{b}\right] = \frac{1}{2}\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}+\frac{1}{2}\boldsymbol{c} \ ✓,

两条路给出同一个结果——这也顺带验证了「平行四边形的两条对角线互相平分」。

练习(第 14 页)第 1 题

  1. 已知四面体 OABC, OB = OC, ∠AOB=∠AOC=θ\angle AOB = \angle AOC = \theta . 求证: OA⊥BCOA \perp BC .

选基:a=OA→\boldsymbol{a} = \overrightarrow{OA}、b=OB→\boldsymbol{b} = \overrightarrow{OB}、c=OC→\boldsymbol{c} = \overrightarrow{OC} (四面体的三条共点棱,不共面)。

把条件翻译成数量积:由 OB=OCOB = OC 得 ∣b∣=∣c∣|\boldsymbol{b}| = |\boldsymbol{c}|;由 ∠AOB=∠AOC=θ\angle AOB = \angle AOC = \theta 得

a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θ,a⋅c=∣a∣∣c∣cos⁡θ.\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = |\boldsymbol{a}||\boldsymbol{b}|\cos\theta, \qquad \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = |\boldsymbol{a}||\boldsymbol{c}|\cos\theta.

两式右端因 ∣b∣=∣c∣|\boldsymbol{b}| = |\boldsymbol{c}| 而相等,故

a⋅b=a⋅c.\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c}.

算目标:BC→=c−b\overrightarrow{BC} = \boldsymbol{c}-\boldsymbol{b},

OA→⋅BC→=a⋅(c−b)=a⋅c−a⋅b=0,\overrightarrow{OA}\cdot\overrightarrow{BC} = \boldsymbol{a}\cdot(\boldsymbol{c}-\boldsymbol{b}) = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = 0,

又 a≠0\boldsymbol{a} \neq \boldsymbol{0}、BC→≠0\overrightarrow{BC} \neq \boldsymbol{0},故 OA⊥BCOA \perp BC。■\blacksquare

两个条件缺一不可:只有 ∠AOB=∠AOC\angle AOB = \angle AOC 而 OB≠OCOB \neq OC 时,两个数量积不相等; 只有 OB=OCOB = OC 而两角不等时同样不行。它们合起来的效果,正是让 △OBC\triangle OBC 关于过 OAOA 的某张平面对称。

练习(第 14 页)第 2 题

  1. 如图,在平行六面体 ABCD−A′B′C′D′ABCD-A'B'C'D' 中,AB=2,AD=2, AA′=3AA'=3 , ∠BAD=∠BAA′=∠DAA′=60∘\angle BAD=\angle BAA'=\angle DAA'=60^{\circ} 。求 BC′BC' 与 CA′CA' 所成角的余弦值。

选基:a=AB→\boldsymbol{a} = \overrightarrow{AB}、b=AD→\boldsymbol{b} = \overrightarrow{AD}、c=AA′→\boldsymbol{c} = \overrightarrow{AA'}。 先把六个已知量列全:

a2=4,b2=4,c2=9,\boldsymbol{a}^2 = 4, \quad \boldsymbol{b}^2 = 4, \quad \boldsymbol{c}^2 = 9, a⋅b=2×2×cos⁡60∘=2,a⋅c=2×3×cos⁡60∘=3,b⋅c=2×3×cos⁡60∘=3.\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = 2 \times 2 \times \cos 60^\circ = 2, \quad \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = 2 \times 3 \times \cos 60^\circ = 3, \quad \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} = 2 \times 3 \times \cos 60^\circ = 3.

表示两个向量:

BC′→=BC→+CC′→=b+c,\overrightarrow{BC'} = \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{CC'} = \boldsymbol{b} + \boldsymbol{c}, CA′→=CA→+AA′→=−(a+b)+c.\overrightarrow{CA'} = \overrightarrow{CA} + \overrightarrow{AA'} = -\left(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}\right) + \boldsymbol{c}.

算数量积:

BC′→⋅CA′→=(b+c)⋅(−a−b+c),\overrightarrow{BC'}\cdot\overrightarrow{CA'} = (\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c})\cdot(-\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}), =−a⋅b−b2+b⋅c−a⋅c−b⋅c+c2,= -\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} - \boldsymbol{b}^2 + \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} + \boldsymbol{c}^2, =−2−4+3−3−3+9=0.= -2 - 4 + 3 - 3 - 3 + 9 = 0.

数量积为零,所以 BC′BC' 与 CA′CA' 互相垂直,所成角为 90∘90^\circ,余弦值为 00。

顺带把两条对角线的长也算出来(可作自检):

∣BC′→∣2=b2+c2+2b⋅c=4+9+6=19,\left|\overrightarrow{BC'}\right|^2 = \boldsymbol{b}^2 + \boldsymbol{c}^2 + 2\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} = 4+9+6 = 19, ∣CA′→∣2=a2+b2+c2+2a⋅b−2a⋅c−2b⋅c=4+4+9+4−6−6=9,\left|\overrightarrow{CA'}\right|^2 = \boldsymbol{a}^2+\boldsymbol{b}^2+\boldsymbol{c}^2 + 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} - 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - 2\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} = 4+4+9+4-6-6 = 9,

即 BC′=19BC' = \sqrt{19}、CA′=3CA' = 3,都是正数,说明两个向量都非零,「所成角」有意义 ✓。

答案是 00 并不是算错——题目问「余弦值」而不是「是否垂直」,恰恰是因为不预先告诉你结果。 这里的抵消依赖 AB=ADAB = AD 与三个角相等,条件动一点就不再垂直。

练习(第 14 页)第 3 题

  1. 如图,已知正方体 ABCD−A′B′C′D′ABCD-A'B'C'D' , CD′CD' 和 DC′DC' 相交于点 O,连接 AO,求证 AO⊥CD′AO \perp CD' .

选基:取单位正交基底 i=DA→\boldsymbol{i} = \overrightarrow{DA}、j=DC→\boldsymbol{j} = \overrightarrow{DC}、k=DD′→\boldsymbol{k} = \overrightarrow{DD'} (不妨设棱长为 11,正方体的三条共点棱两两垂直、等长):

i2=j2=k2=1,i⋅j=j⋅k=i⋅k=0.\boldsymbol{i}^2 = \boldsymbol{j}^2 = \boldsymbol{k}^2 = 1, \qquad \boldsymbol{i}\cdot\boldsymbol{j} = \boldsymbol{j}\cdot\boldsymbol{k} = \boldsymbol{i}\cdot\boldsymbol{k} = 0.

OO 是侧面 CDD′C′CDD'C' 两条对角线的交点,即这个正方形的中心,也就是 CD′CD' 的中点:

DO→=12(DC→+DD′→)=12(j+k).\overrightarrow{DO} = \frac{1}{2}\left(\overrightarrow{DC}+\overrightarrow{DD'}\right) = \frac{1}{2}\left(\boldsymbol{j}+\boldsymbol{k}\right).

表示两个向量:

AO→=AD→+DO→=−i+12j+12k,\overrightarrow{AO} = \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{DO} = -\boldsymbol{i} + \frac{1}{2}\boldsymbol{j} + \frac{1}{2}\boldsymbol{k}, CD′→=DD′→−DC→=k−j.\overrightarrow{CD'} = \overrightarrow{DD'} - \overrightarrow{DC} = \boldsymbol{k} - \boldsymbol{j}.

算数量积(交叉项全为零):

AO→⋅CD′→=−12j2+12k2=−12+12=0,\overrightarrow{AO}\cdot\overrightarrow{CD'} = -\frac{1}{2}\boldsymbol{j}^2 + \frac{1}{2}\boldsymbol{k}^2 = -\frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 0,

故 AO⊥CD′AO \perp CD'。■\blacksquare

几何解释:AO→\overrightarrow{AO} 里含 i\boldsymbol{i} 的那一项与 CD′→\overrightarrow{CD'} 完全无关(i\boldsymbol{i} 垂直于侧面), 真正参与的只有 AO→\overrightarrow{AO} 在侧面 CDD′C′CDD'C' 上的投影 12(j+k)=DO→\dfrac12(\boldsymbol{j}+\boldsymbol{k}) = \overrightarrow{DO}。 而在正方形 CDD′C′CDD'C' 里,对角线 DC′DC' 与 CD′CD' 本来就互相垂直——这道题的实质是三垂线定理: AD⊥AD \perp 侧面,DODO 是 AOAO 在侧面内的射影,DO⊥CD′DO \perp CD',故 AO⊥CD′AO \perp CD'。

习题 1.2 第 1 题

  1. 如果向量 a,ba, b 与任何向量都不能构成空间的一个基底,那么 a,ba, b 间应有什么关系?

答案:a\boldsymbol{a} 与 b\boldsymbol{b} 共线(平行),其中也包含「a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 中至少有一个是零向量」的情形 (按规定零向量与任意向量平行)。

两个方向都要说清。

必要性(题目问的这一半):用逆否。假设 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 不共线, 那么它们张成一张平面 α\alpha;取任意一个不平行于 α\alpha 的向量 c\boldsymbol{c} (空间里这样的向量当然存在),则 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 不共面, {a, b, c}\{\boldsymbol{a},\ \boldsymbol{b},\ \boldsymbol{c}\} 就构成一个基底——与题设「与任何向量都不能构成基底」矛盾。 故 a\boldsymbol{a} 与 b\boldsymbol{b} 必共线。

充分性(顺带验证答案不多不少):若 a∥b\boldsymbol{a} \parallel \boldsymbol{b},则对任意 c\boldsymbol{c}, 三者都共面——两个共线向量只张成一条直线,再加一个 c\boldsymbol{c},总能找到一张同时平行于它们的平面。 故确实与任何向量都构不成基底。

所以这是一个充要条件:

a, b 与任何向量都构不成基底  ⟺  a∥b.\boldsymbol{a},\ \boldsymbol{b} \text{ 与任何向量都构不成基底} \iff \boldsymbol{a} \parallel \boldsymbol{b}.

习题 1.2 第 2 题

  1. 若 {a,b,c}\{a, b, c\} 构成空间的一个基底,则下列向量不共面的是() (A) b+cb + c , b, b - c (B) a, a + b, a - b (C) a+ba + b , a - b, c (D) a+ba + b , a+b+ca + b + c , c

选 C。

逐项检验,办法都一样:试着把其中一个写成另两个的线性组合。

(A) 三个向量 b+c\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}、b\boldsymbol{b}、b−c\boldsymbol{b}-\boldsymbol{c} 全部只由 b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 生成, 落在同一张平面里。显式地:(b+c)+(b−c)=2b(\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}) + (\boldsymbol{b}-\boldsymbol{c}) = 2\boldsymbol{b}, 即第二个是前后两个的线性组合。共面,排除。

(B) 三者只由 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b} 生成:(a+b)+(a−b)=2a(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}) + (\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}) = 2\boldsymbol{a}。共面,排除。

(D) 一眼看出:(a+b+c)=(a+b)+c(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}) = (\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}) + \boldsymbol{c}, 第二个恰是另两个之和。共面,排除。

(C) 不共面。 设 x(a+b)+y(a−b)+zc=0x(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}) + y(\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}) + z\boldsymbol{c} = \boldsymbol{0},整理

(x+y)a+(x−y)b+zc=0.(x+y)\boldsymbol{a} + (x-y)\boldsymbol{b} + z\boldsymbol{c} = \boldsymbol{0}.

{a, b, c}\{\boldsymbol{a},\ \boldsymbol{b},\ \boldsymbol{c}\} 是基底,分解唯一,故 x+y=0x+y = 0、x−y=0x-y = 0、z=0z = 0, 解得 x=y=z=0x = y = z = 0。所以三者中任何一个都写不成另两个的线性组合,不共面 ✓。

这道题的通用识别法:只要三个向量里不出现 c\boldsymbol{c}(或某个基向量),它们必然落在 另两个基向量张成的平面里,一定共面。(A)(B) 都是这样被一眼排除的。剩下含 c\boldsymbol{c} 的 (C)(D) 里, (D) 的三个向量满足一个显然的加法关系,也共面。

习题 1.2 第 3 题

  1. 已知四面体 OABC, M, N 分别是棱 OA, BC 的中点, 且 OA→=a\overrightarrow{OA}=a , OB→=b\overrightarrow{OB}=b , OC→=c\overrightarrow{OC}=c , 用 a, b, c 表示向量 MN→\overrightarrow{MN} .

两个中点各用一次中点公式(起点都取 OO):

OM→=12a,ON→=12(b+c).\overrightarrow{OM} = \frac{1}{2}\boldsymbol{a}, \qquad \overrightarrow{ON} = \frac{1}{2}\left(\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}\right).

同起点相减:

MN→=ON→−OM→=−12a+12b+12c=12(b+c−a).\overrightarrow{MN} = \overrightarrow{ON} - \overrightarrow{OM} = -\frac{1}{2}\boldsymbol{a} + \frac{1}{2}\boldsymbol{b} + \frac{1}{2}\boldsymbol{c} = \frac{1}{2}\left(\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}-\boldsymbol{a}\right).

自检(换一条路):MN→=MA→+AB→+BN→\overrightarrow{MN} = \overrightarrow{MA} + \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BN}, 其中 MA→=12a\overrightarrow{MA} = \dfrac12\boldsymbol{a}、AB→=b−a\overrightarrow{AB} = \boldsymbol{b}-\boldsymbol{a}、 BN→=12BC→=12(c−b)\overrightarrow{BN} = \dfrac12\overrightarrow{BC} = \dfrac12(\boldsymbol{c}-\boldsymbol{b}),相加得

12a+b−a+12c−12b=−12a+12b+12c ✓.\frac{1}{2}\boldsymbol{a} + \boldsymbol{b} - \boldsymbol{a} + \frac{1}{2}\boldsymbol{c} - \frac{1}{2}\boldsymbol{b} = -\frac{1}{2}\boldsymbol{a} + \frac{1}{2}\boldsymbol{b} + \frac{1}{2}\boldsymbol{c} \ ✓.

注意三个系数之和为 12\dfrac12,不是 11 也不是 00——这是因为 MN→\overrightarrow{MN} 连接的是两个中点, 不是两个顶点。系数和这个量在下一节判断「点是否在某个平面上」时会正式用到。

习题 1.2 第 4 题

  1. 如图,在空间平移 △ABC\triangle ABC 到 △A′B′C′\triangle A'B'C',连接对应顶点。设 AA′→=a\overrightarrow{AA'} = a,AB→=b\overrightarrow{AB} = b,AC→=c\overrightarrow{AC} = c,MM 是 BC′BC' 的中点,NN 是 B′C′B'C' 的中点,用基底 {a,b,c}\{a, b, c\} 表示向量 AM→\overrightarrow{AM},AN→\overrightarrow{AN}。

「平移」这个词给出的信息是:对应顶点的连线向量全部相等,

AA′→=BB′→=CC′→=a.\overrightarrow{AA'} = \overrightarrow{BB'} = \overrightarrow{CC'} = \boldsymbol{a}.

于是两个「带撇」的顶点先表示出来:

AB′→=AB→+BB′→=a+b,AC′→=AC→+CC′→=a+c.\overrightarrow{AB'} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BB'} = \boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}, \qquad \overrightarrow{AC'} = \overrightarrow{AC} + \overrightarrow{CC'} = \boldsymbol{a}+\boldsymbol{c}.

MM 是 BC′BC' 的中点:

AM→=12(AB→+AC′→)=12[b+(a+c)]=12a+12b+12c.\overrightarrow{AM} = \frac{1}{2}\left(\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AC'}\right) = \frac{1}{2}\left[\boldsymbol{b} + (\boldsymbol{a}+\boldsymbol{c})\right] = \frac{1}{2}\boldsymbol{a} + \frac{1}{2}\boldsymbol{b} + \frac{1}{2}\boldsymbol{c}.

NN 是 B′C′B'C' 的中点:

AN→=12(AB′→+AC′→)=12[(a+b)+(a+c)]=a+12b+12c.\overrightarrow{AN} = \frac{1}{2}\left(\overrightarrow{AB'}+\overrightarrow{AC'}\right) = \frac{1}{2}\left[(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}) + (\boldsymbol{a}+\boldsymbol{c})\right] = \boldsymbol{a} + \frac{1}{2}\boldsymbol{b} + \frac{1}{2}\boldsymbol{c}.

两个结果只差一个 12a\dfrac12\boldsymbol{a},即 MN→=12a=12BB′→\overrightarrow{MN} = \dfrac{1}{2}\boldsymbol{a} = \dfrac12\overrightarrow{BB'}。 这也说得通:MM、NN 分别是 BC′BC' 与 B′C′B'C' 的中点,在 △BB′C′\triangle BB'C' 中 MNMN 是中位线, 平行于 BB′BB' 且长为一半 ✓。

习题 1.2 第 5 题

  1. 如图,在长方体 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 中,M 是 AC 与 BD 的交点。若 D1A1=2, D1C1=2D_{1}A_{1}=2,\ D_{1}C_{1}=2 , D1D=3D_{1}D=3 ,求 B1MB_{1}M 的长。

先把三个数据落到底面与高上:长方体的对棱相等,故 DA=D1A1=2DA = D_1A_1 = 2、DC=D1C1=2DC = D_1C_1 = 2、DD1=3DD_1 = 3。

选基:i=DA→\boldsymbol{i} = \overrightarrow{DA}、j=DC→\boldsymbol{j} = \overrightarrow{DC}、k=DD1→\boldsymbol{k} = \overrightarrow{DD_1}, 两两垂直(长方体),i2=4\boldsymbol{i}^2 = 4、j2=4\boldsymbol{j}^2 = 4、k2=9\boldsymbol{k}^2 = 9,三个两两数量积全为 00。

MM 是底面 ABCDABCD 两条对角线的交点,即底面中心,也就是 ACAC 的中点:

DM→=12(DA→+DC→)=12(i+j).\overrightarrow{DM} = \frac{1}{2}\left(\overrightarrow{DA}+\overrightarrow{DC}\right) = \frac{1}{2}\left(\boldsymbol{i}+\boldsymbol{j}\right).

B1B_1 的位置:DB1→=DA→+DC→+DD1→=i+j+k\overrightarrow{DB_1} = \overrightarrow{DA}+\overrightarrow{DC}+\overrightarrow{DD_1} = \boldsymbol{i}+\boldsymbol{j}+\boldsymbol{k}。于是

B1M→=DM→−DB1→=−12i−12j−k.\overrightarrow{B_1M} = \overrightarrow{DM} - \overrightarrow{DB_1} = -\frac{1}{2}\boldsymbol{i} - \frac{1}{2}\boldsymbol{j} - \boldsymbol{k}.

求模(交叉项全为零):

∣B1M→∣2=14i2+14j2+k2=14×4+14×4+9=11,\left|\overrightarrow{B_1M}\right|^2 = \frac{1}{4}\boldsymbol{i}^2 + \frac{1}{4}\boldsymbol{j}^2 + \boldsymbol{k}^2 = \frac{1}{4}\times 4 + \frac{1}{4}\times 4 + 9 = 11,

故 B1M=11B_1M = \sqrt{11}。

量级自检:11≈3.32\sqrt{11} \approx 3.32,比高 DD1=3DD_1 = 3 略大——合理,因为 B1MB_1M 是从上顶点斜着连到底面中心。 再核一遍:底面中心到 BB 的距离是半条对角线 4+42=2\dfrac{\sqrt{4+4}}{2} = \sqrt2, 而 B1M=(2)2+32=11B_1M = \sqrt{(\sqrt2)^2 + 3^2} = \sqrt{11} ✓(BB1BB_1 垂直于底面,直角三角形)。

习题 1.2 第 6 题

  1. 如图,平行六面体 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 的底面 ABCD 是菱形,且 ∠C1CB=∠C1CD=∠BCD=60∘\angle C_{1}CB = \angle C_{1}CD = \angle BCD = 60^{\circ} , CD=CC1CD = CC_{1} ,求证: CA1⊥CA_{1} \perp 平面 C1BDC_{1}BD .

选基要选在 CC 上——三个已知角都是以 CC 为顶点的。记

a=CB→,b=CD→,c=CC1→.\boldsymbol{a} = \overrightarrow{CB}, \qquad \boldsymbol{b} = \overrightarrow{CD}, \qquad \boldsymbol{c} = \overrightarrow{CC_1}.

把条件全部翻译成数量积。底面是菱形,四边相等,故 CB=CDCB = CD;又题设 CD=CC1CD = CC_1,于是三个模全相等。 不妨设它们都等于 11(比例不影响垂直),则

a2=b2=c2=1,a⋅b=a⋅c=b⋅c=cos⁡60∘=12\boldsymbol{a}^2 = \boldsymbol{b}^2 = \boldsymbol{c}^2 = 1, \qquad \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} = \cos 60^\circ = \frac{1}{2}

(三个角 ∠BCD\angle BCD、∠C1CB\angle C_1CB、∠C1CD\angle C_1CD 依次对应这三个数量积)。

表示 CA1→\overrightarrow{CA_1}:在平行四边形 ABCDABCD 中 BA→=CD→\overrightarrow{BA} = \overrightarrow{CD},故 CA→=CB→+BA→=a+b\overrightarrow{CA} = \overrightarrow{CB} + \overrightarrow{BA} = \boldsymbol{a}+\boldsymbol{b};又 AA1→=CC1→=c\overrightarrow{AA_1} = \overrightarrow{CC_1} = \boldsymbol{c},所以

CA1→=a+b+c.\overrightarrow{CA_1} = \boldsymbol{a} + \boldsymbol{b} + \boldsymbol{c}.

要证线面垂直,只需证它垂直于平面内两条相交直线。平面 C1BDC_1BD 内取相交于 BB 的两条:BDBD 与 BC1BC_1。

BD→=b−a,BC1→=c−a.\overrightarrow{BD} = \boldsymbol{b}-\boldsymbol{a}, \qquad \overrightarrow{BC_1} = \boldsymbol{c}-\boldsymbol{a}.

逐个算:

CA1→⋅BD→=(a+b+c)⋅(b−a)=(a⋅b−a2)+(b2−a⋅b)+(b⋅c−a⋅c),\overrightarrow{CA_1}\cdot\overrightarrow{BD} = (\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c})\cdot(\boldsymbol{b}-\boldsymbol{a}) = \left(\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} - \boldsymbol{a}^2\right) + \left(\boldsymbol{b}^2 - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}\right) + \left(\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c}\right), =(12−1)+(1−12)+(12−12)=0;= \left(\tfrac12 - 1\right) + \left(1 - \tfrac12\right) + \left(\tfrac12 - \tfrac12\right) = 0; CA1→⋅BC1→=(a+b+c)⋅(c−a)=(a⋅c−a2)+(b⋅c−a⋅b)+(c2−a⋅c),\overrightarrow{CA_1}\cdot\overrightarrow{BC_1} = (\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c})\cdot(\boldsymbol{c}-\boldsymbol{a}) = \left(\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{a}^2\right) + \left(\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}\right) + \left(\boldsymbol{c}^2 - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c}\right), =(12−1)+(12−12)+(1−12)=0.= \left(\tfrac12 - 1\right) + \left(\tfrac12 - \tfrac12\right) + \left(1 - \tfrac12\right) = 0.

BDBD 与 BC1BC_1 是平面 C1BDC_1BD 内两条相交直线(交于 BB,且不重合,因为 DD、C1C_1 不在同一条过 BB 的直线上), 由线面垂直的判定定理,

CA1⊥平面 C1BD.■CA_1 \perp \text{平面 } C_1BD. \qquad \blacksquare

看清对称性:三个模相等、三个两两数量积也相等,所以 a\boldsymbol{a}、b\boldsymbol{b}、c\boldsymbol{c} 在算式里地位完全对称。 CA1→=a+b+c\overrightarrow{CA_1} = \boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c} 是这个对称结构的「中轴」, 而平面 C1BDC_1BD 上的向量都形如「两个基向量之差」——中轴与任何一个差都垂直,这就是全部原因。

习题 1.2 第 7 题

  1. 如图,在棱长为 1 的正方体 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 中,E,F 分别为 DD1DD_{1} ,BD 的中点,点 G 在 CD 上,且 CG=14CDCG=\frac{1}{4}CD .

(1) 求证: EF⊥B1CEF \perp B_{1}C ;

(2) 求 EF 与 C1GC_{1}G 所成角的余弦值.

选基:单位正交基底 i=DA→\boldsymbol{i} = \overrightarrow{DA}、j=DC→\boldsymbol{j} = \overrightarrow{DC}、k=DD1→\boldsymbol{k} = \overrightarrow{DD_1}, 三者两两垂直、模均为 11。以 DD 为原点,各点的位置向量为

DA→=i,DB→=i+j,DC→=j,DB1→=i+j+k,DC1→=j+k.\overrightarrow{DA} = \boldsymbol{i},\quad \overrightarrow{DB} = \boldsymbol{i}+\boldsymbol{j},\quad \overrightarrow{DC} = \boldsymbol{j},\quad \overrightarrow{DB_1} = \boldsymbol{i}+\boldsymbol{j}+\boldsymbol{k},\quad \overrightarrow{DC_1} = \boldsymbol{j}+\boldsymbol{k}.

三个特殊点:

DE→=12k (E 是 DD1 中点),DF→=12(i+j) (F 是 BD 中点),\overrightarrow{DE} = \frac{1}{2}\boldsymbol{k}\ (E \text{ 是 } DD_1 \text{ 中点}), \qquad \overrightarrow{DF} = \frac{1}{2}\left(\boldsymbol{i}+\boldsymbol{j}\right)\ (F \text{ 是 } BD \text{ 中点}),

GG 在 CDCD 上且 CG=14CDCG = \dfrac14 CD,即 CG→=14CD→=−14j\overrightarrow{CG} = \dfrac14\overrightarrow{CD} = -\dfrac14\boldsymbol{j},故

DG→=DC→+CG→=j−14j=34j.\overrightarrow{DG} = \overrightarrow{DC} + \overrightarrow{CG} = \boldsymbol{j} - \frac{1}{4}\boldsymbol{j} = \frac{3}{4}\boldsymbol{j}.

(1)

EF→=DF→−DE→=12i+12j−12k,\overrightarrow{EF} = \overrightarrow{DF} - \overrightarrow{DE} = \frac{1}{2}\boldsymbol{i} + \frac{1}{2}\boldsymbol{j} - \frac{1}{2}\boldsymbol{k}, B1C→=DC→−DB1→=−i−k.\overrightarrow{B_1C} = \overrightarrow{DC} - \overrightarrow{DB_1} = -\boldsymbol{i} - \boldsymbol{k}.

数量积(交叉项为零,只留同名项):

EF→⋅B1C→=−12i2+12k2=−12+12=0,\overrightarrow{EF}\cdot\overrightarrow{B_1C} = -\frac{1}{2}\boldsymbol{i}^2 + \frac{1}{2}\boldsymbol{k}^2 = -\frac{1}{2}+\frac{1}{2} = 0,

故 EF⊥B1CEF \perp B_1C。■\blacksquare

(2)

C1G→=DG→−DC1→=34j−j−k=−14j−k.\overrightarrow{C_1G} = \overrightarrow{DG} - \overrightarrow{DC_1} = \frac{3}{4}\boldsymbol{j} - \boldsymbol{j} - \boldsymbol{k} = -\frac{1}{4}\boldsymbol{j} - \boldsymbol{k}.

三个量:

EF→⋅C1G→=12×(−14)+(−12)×(−1)=−18+12=38,\overrightarrow{EF}\cdot\overrightarrow{C_1G} = \frac{1}{2}\times\left(-\frac{1}{4}\right) + \left(-\frac{1}{2}\right)\times(-1) = -\frac{1}{8} + \frac{1}{2} = \frac{3}{8}, ∣EF→∣=14+14+14=32,∣C1G→∣=116+1=174.\left|\overrightarrow{EF}\right| = \sqrt{\frac{1}{4}+\frac{1}{4}+\frac{1}{4}} = \frac{\sqrt3}{2}, \qquad \left|\overrightarrow{C_1G}\right| = \sqrt{\frac{1}{16}+1} = \frac{\sqrt{17}}{4}.

于是

cos⁡⟨EF→, C1G→⟩=3832×174=38518=351=5117.\cos\left\langle \overrightarrow{EF},\ \overrightarrow{C_1G}\right\rangle = \frac{\frac{3}{8}}{\frac{\sqrt3}{2}\times\frac{\sqrt{17}}{4}} = \frac{\frac{3}{8}}{\frac{\sqrt{51}}{8}} = \frac{3}{\sqrt{51}} = \frac{\sqrt{51}}{17}.

结果为正,已在 [0, π2]\left[0,\ \dfrac{\pi}{2}\right] 内,所以 EFEF 与 C1GC_1G 所成角的余弦值就是

5117≈0.42.\frac{\sqrt{51}}{17} \approx 0.42.

(若算出负数,要取绝对值——直线所成角不超过 90∘90^\circ。)

习题 1.2 第 8 题

  1. 已知四面体中三组相对棱的中点间的距离都相等,求证:这个四面体相对的棱两两垂直.

设四面体为 OABCOABC,取

a=OA→,b=OB→,c=OC→.\boldsymbol{a} = \overrightarrow{OA},\qquad \boldsymbol{b} = \overrightarrow{OB},\qquad \boldsymbol{c} = \overrightarrow{OC}.

三组相对棱(对棱)是 OAOA 与 BCBC、OBOB 与 CACA、OCOC 与 ABAB。 把三组对棱中点的连线向量写出来(每个中点用中点公式):

M1N1→=b+c2−a2=b+c−a2,\overrightarrow{M_1N_1} = \frac{\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}}{2} - \frac{\boldsymbol{a}}{2} = \frac{\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}-\boldsymbol{a}}{2}, M2N2→=c+a2−b2=c+a−b2,\overrightarrow{M_2N_2} = \frac{\boldsymbol{c}+\boldsymbol{a}}{2} - \frac{\boldsymbol{b}}{2} = \frac{\boldsymbol{c}+\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}}{2}, M3N3→=a+b2−c2=a+b−c2.\overrightarrow{M_3N_3} = \frac{\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}}{2} - \frac{\boldsymbol{c}}{2} = \frac{\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}-\boldsymbol{c}}{2}.

把三段长度相等写成等式(都乘 44,去掉分母):

∣b+c−a∣2=∣c+a−b∣2=∣a+b−c∣2.\left|\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}-\boldsymbol{a}\right|^2 = \left|\boldsymbol{c}+\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\right|^2 = \left|\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}-\boldsymbol{c}\right|^2.

逐个展开(记 S=a2+b2+c2S = \boldsymbol{a}^2+\boldsymbol{b}^2+\boldsymbol{c}^2,它在三式中相同):

∣b+c−a∣2=S−2a⋅b−2a⋅c+2b⋅c,\left|\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}-\boldsymbol{a}\right|^2 = S - 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} - 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} + 2\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}, ∣c+a−b∣2=S−2a⋅b+2a⋅c−2b⋅c,\left|\boldsymbol{c}+\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\right|^2 = S - 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} + 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - 2\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}, ∣a+b−c∣2=S+2a⋅b−2a⋅c−2b⋅c.\left|\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}-\boldsymbol{c}\right|^2 = S + 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} - 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - 2\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}.

第一式 == 第二式:SS 与 −2a⋅b-2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} 两边相同,消去后得

−2a⋅c+2b⋅c=2a⋅c−2b⋅c  ⟹  a⋅c=b⋅c.-2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} + 2\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} = 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - 2\boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} \implies \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}.

第二式 == 第三式:同样消去公共项,得

−2a⋅b+2a⋅c=2a⋅b−2a⋅c  ⟹  a⋅b=a⋅c.-2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} + 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} - 2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} \implies \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c}.

于是三个两两数量积全部相等:

a⋅b=a⋅c=b⋅c.\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}.

回译成三组垂直:

OA→⋅BC→=a⋅(c−b)=a⋅c−a⋅b=0  ⟹  OA⊥BC,\overrightarrow{OA}\cdot\overrightarrow{BC} = \boldsymbol{a}\cdot(\boldsymbol{c}-\boldsymbol{b}) = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = 0 \implies OA \perp BC, OB→⋅CA→=b⋅(a−c)=a⋅b−b⋅c=0  ⟹  OB⊥CA,\overrightarrow{OB}\cdot\overrightarrow{CA} = \boldsymbol{b}\cdot(\boldsymbol{a}-\boldsymbol{c}) = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} - \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} = 0 \implies OB \perp CA, OC→⋅AB→=c⋅(b−a)=b⋅c−a⋅c=0  ⟹  OC⊥AB.\overrightarrow{OC}\cdot\overrightarrow{AB} = \boldsymbol{c}\cdot(\boldsymbol{b}-\boldsymbol{a}) = \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c} - \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = 0 \implies OC \perp AB.

三组对棱两两垂直。■\blacksquare

这道题与「习题 1.1 第 9 题」是同一个结构的两面。那里由「两组对棱垂直」推第三组, 这里由「三段中点距离相等」推三组全垂直——两者的核心都是那三个两两数量积之间的关系:

OA⊥BC  ⟺  a⋅b=a⋅c,OB⊥CA  ⟺  a⋅b=b⋅c,OC⊥AB  ⟺  a⋅c=b⋅c.OA \perp BC \iff \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c}, \quad OB \perp CA \iff \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} = \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}, \quad OC \perp AB \iff \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{c} = \boldsymbol{b}\cdot\boldsymbol{c}.

逆命题也成立:若三组对棱两两垂直,则三个数量积相等,代回上面的展开式, 三段中点连线的长度也相等。所以这是一个充要条件,这样的四面体叫垂心四面体。

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1.2 空间向量基本定理

我们知道,平面内的任意一个向量 pp 都可以用两个不共线的向量 a,ba, b 来表示(平面向量基本定理)。类似地,任意一个空间向量能否用任意三个不共面的向量 a,b,ca, b, c 来表示呢?

我们先从空间中三个不共面的向量两两垂直这一特殊情况开始讨论.

如图 1.2-1,设 i, j, k 是空间中三个两两垂直的向量,且表示它们的有向线段有公共起点 O。对于任意一个空间向量 p=OP→p=\overrightarrow{OP} ,设 OQ→\overrightarrow{OQ} 为 OP→\overrightarrow{OP} 在 i, j 所确定的平面上的投影向量,则 OP→=OQ→+QP→\overrightarrow{OP}=\overrightarrow{OQ}+\overrightarrow{QP} 。又向量 QP→\overrightarrow{QP} ,k 共线,因此存在唯一的实数 z,使得 QP→=zk\overrightarrow{QP}=zk ,从而

OP→=OQ→+zk.\overrightarrow {O P} = \overrightarrow {O Q} + z k.

而在 i,ji, j 所确定的平面上,由平面向量基本定理可知,存在唯一的有序实数对 (x,y)(x, y),使得

图1.2-1

OQ→=xi+yj.\overrightarrow {O Q} = x \boldsymbol {i} + y \boldsymbol {j}.

从而

OP→=OQ→+zk=xi+yj+zk.\overrightarrow {O P} = \overrightarrow {O Q} + z \boldsymbol {k} = x \boldsymbol {i} + y \boldsymbol {j} + z \boldsymbol {k}.

因此,如果 i,j,ki, j, k 是空间三个两两垂直的向量,那么对任意一个空间向量 p\pmb{p},存在唯一的有序实数组 (x,y,z)(x, y, z),使得

p=xi+yj+zk.\boldsymbol {p} = x \boldsymbol {i} + y \boldsymbol {j} + z \boldsymbol {k}.

你能证明唯一性吗?

我们称 xixi , yjyj , zkzk 分别为向量 p\pmb{p} 在 ii , jj , kk 上的分向量.

探究

在空间中,如果用任意三个不共面的向量 a,b,ca, b, c 代替两两垂直的向量 i,j,ki, j, k,你能得出类似的结论吗?

类似平面向量基本定理,我们有空间向量基本定理.

定理 如果三个向量 a,b,ca, b, c 不共面,那么对任意一个空间向量 pp,存在唯一的有序实数组 (x,y,z)(x, y, z),使得

p=xa+yb+zc.p = x a + y b + z c.

● ●

请你自己给出空间向量基本定理的证明.

由此可知,如果三个向量 a,b,ca, b, c 不共面,那么所有空间向量组成的集合就是 {p∣p=xa+yb+zc,x,y,z∈R}\{p \mid p = xa + yb + zc, x, y, z \in \mathbb{R}\}。这个集合可看作由向量 a,b,ca, b, c 生成的,我们把 {a,b,c}\{a, b, c\} 叫做空间的一个基底(base),a,b,ca, b, c 都叫做基向量(base vectors)。空间任意三个不共面的向量都可以构成空间的一个基底。

特别地,如果空间的一个基底中的三个基向量两两垂直,且长度都为1,那么这个基底叫做单位正交基底,常用 {i,j,k}\{i, j, k\} 表示。由空间向量基本定理可知,对空间中的任意向量 aa,均可以分解为三个向量 xi,yj,zkxi, yj, zk,使 a=xi+yj+zka = xi + yj + zk。像这样,把一个空间向量分解为三个两两垂直的向量,叫做把空间向量进行正交分解。

由空间向量基本定理可知,如果把三个不共面的向量作为空间的一个基底,那么所有空间向量都可以用三个基向量表示出来。进一步地,所有空间向量间的运算都可以转化为基向量间的运算,这为解决问题带来了方便。

例 1 如图 1.2-2, M 是四面体 OABC 的棱 BC 的中点, 点 N 在线段 OM 上, 点 P 在线段 AN 上, 且 MN=12ONMN = \frac{1}{2} ON , AP=34ANAP = \frac{3}{4} AN , 用向量 OA→\overrightarrow{OA} , OB→\overrightarrow{OB} , OC→\overrightarrow{OC} 表示 OP→\overrightarrow{OP} .

分析: OA→,OB→,OC→\overrightarrow{OA}, \overrightarrow{OB}, \overrightarrow{OC} 是三个不共面的向量, 它们构成空间的一个基底 {OA→,OB→,OC→},OP→\{\overrightarrow{OA}, \overrightarrow{OB}, \overrightarrow{OC}\}, \overrightarrow{OP} 可以用基底 {OA→,OB→,OC→}\{\overrightarrow{OA}, \overrightarrow{OB}, \overrightarrow{OC}\} 表示出来.

解:

OP→=OA→+AP→=OA→+34AN→=OA→+34(ON→−OA→)=OA→+34ON→−34OA→=14OA→+34(13OB→+13OC→)=14OA→+14OB→+14OC→.\begin{array}{r l} \overrightarrow {O P} & = \overrightarrow {O A} + \overrightarrow {A P} = \overrightarrow {O A} + \frac {3}{4} \overrightarrow {A N} \\ & = \overrightarrow {O A} + \frac {3}{4} (\overrightarrow {O N} - \overrightarrow {O A}) \\ & = \overrightarrow {O A} + \frac {3}{4} \overrightarrow {O N} - \frac {3}{4} \overrightarrow {O A} \\ & = \frac {1}{4} \overrightarrow {O A} + \frac {3}{4} \left(\frac {1}{3} \overrightarrow {O B} + \frac {1}{3} \overrightarrow {O C}\right) \\ & = \frac {1}{4} \overrightarrow {O A} + \frac {1}{4} \overrightarrow {O B} + \frac {1}{4} \overrightarrow {O C}. \end{array}

图 1.2-2

练习

  1. 已知 {a,b,c}\{a, b, c\} 是空间的一个基底,从 a,b,ca, b, c 中选哪一个向量,一定可以与向量 p=a+bp = a + b

q=a−bq = a - b

  1. 已知 O,A,B,CO, A, B, C 为空间的四个点,且向量 OA→,OB→,OC→\overrightarrow{OA}, \overrightarrow{OB}, \overrightarrow{OC} 不构成空间的一个基底,那么点 O,A,B,CO, A, B, C 是否共面?

  2. 如图,已知平行六面体 OABC−O′A′B′C′OABC-O'A'B'C' ,点 G 是侧面 BB′C′CBB'C'C 的中心,且 OA→=a,OC→=b,OO′→=c\overrightarrow{OA}=a,\overrightarrow{OC}=b,\overrightarrow{OO'}=c .

(1) {a,b,c}\{a, b, c\} 是否构成空间的一个基底?

(2) 如果 {a,b,c}\{a, b, c\} 构成空间的一个基底,那么用它表示下列向量: OB′→\overrightarrow{OB'} , BA′→\overrightarrow{BA'} , CA′→\overrightarrow{CA'} , OG→\overrightarrow{OG} .

例 2 如图 1.2-3,在平行六面体 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 中,AB=4,AD=4, AA1=5AA_{1}=5 , ∠DAB=60∘\angle DAB=60^{\circ} , ∠BAA1=60∘\angle BAA_{1}=60^{\circ} , ∠DAA1=60∘\angle DAA_{1}=60^{\circ} ,M,N 分别为 D1C1D_{1}C_{1} , C1B1C_{1}B_{1} 的中点。求证 MN⊥AC1MN \perp AC_{1} 。

分析:要证 MN⊥AC1MN \perp AC_{1},只需证明 MN→⋅AC1→=0\overrightarrow{MN} \cdot \overrightarrow{AC_{1}} = 0。由已知,{AB→,AD→,AA1→}\{\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AA_{1}}\} 可构成空间的一个基底。把 MN→\overrightarrow{MN} 和 AC1→\overrightarrow{AC_{1}} 分别用基底表示,然后计算 MN→⋅AC1→\overrightarrow{MN} \cdot \overrightarrow{AC_{1}} 即可。

图1.2-3

证明:设 AB→=a\overrightarrow{AB} = a , AD→=b\overrightarrow{AD} = b , AA1→=c\overrightarrow{AA_1} = c ,这三个向量不共面, {a,b,c}\{a,b,c\} 构成空间的一个基底,我们用它们表示MN→\overrightarrow{MN} , AC1→\overrightarrow{AC_1} ,则

MN→=MC1→+C1N→=12a−12b,AC1→=AB→+BC→+CC1→=a+b+c,\begin{array}{l} \overrightarrow {M N} = \overrightarrow {M C _ {1}} + \overrightarrow {C _ {1} N} = \frac {1}{2} \boldsymbol {a} - \frac {1}{2} \boldsymbol {b}, \\ \overrightarrow {A C _ {1}} = \overrightarrow {A B} + \overrightarrow {B C} + \overrightarrow {C C _ {1}} = \boldsymbol {a} + \boldsymbol {b} + \boldsymbol {c}, \end{array}

所以

MN→⋅AC1→=(12a−12b)⋅(a+b+c)=12a⋅a+12a⋅b+12a⋅c−12b⋅a−12b⋅b−12b⋅c=12×42+12×42×cos⁡60∘+12×4×5×cos⁡60∘−12×42×cos⁡60∘−12×42−12×4×5×cos⁡60∘=0.\begin{array}{r l} \overrightarrow {M N} \cdot \overrightarrow {A C _ {1}} & = \left(\frac {1}{2} a - \frac {1}{2} b\right) \cdot (a + b + c) \\ & = \frac {1}{2} a \cdot a + \frac {1}{2} a \cdot b + \frac {1}{2} a \cdot c - \frac {1}{2} b \cdot a - \frac {1}{2} b \cdot b - \frac {1}{2} b \cdot c \\ & = \frac {1}{2} \times 4 ^ {2} + \frac {1}{2} \times 4 ^ {2} \times \cos 6 0 ^ {\circ} + \frac {1}{2} \times 4 \times 5 \times \cos 6 0 ^ {\circ} - \frac {1}{2} \times 4 ^ {2} \times \cos 6 0 ^ {\circ} - \\ & \frac {1}{2} \times 4 ^ {2} - \frac {1}{2} \times 4 \times 5 \times \cos 6 0 ^ {\circ} \\ & = 0. \end{array}

所以 MN⊥AC1MN \perp AC_{1} .

例 3 如图 1.2-4,正方体 ABCD−A′B′C′D′ABCD-A'B'C'D' 的棱长为 1, E, F, G 分别为 C′D′C'D' , A′D′A'D' , D′DD'D 的中点.

(1) 求证: EF∥ACEF \parallel AC;

(2) 求 CE 与 AG 所成角的余弦值.

分析:(1)要证明 EF//ACEF / / AC ,只需证明 EF→\overrightarrow{EF} 与 AC→\overrightarrow{AC} 共线.设 DA→=i\overrightarrow{DA} = i , DC→=j\overrightarrow{DC} = j , DD′→=k\overrightarrow{DD'} = k ,则 {i,j,k}\{i,j,k\} 构成空间的一个单位正交基底,把 EF→\overrightarrow{EF} 和 AC→\overrightarrow{AC} 分别用基向量表示,作相应的运算证明它们共线即可.(2)要求 CECE 与 AGAG 所成角的余弦值,只需求 CE→\overrightarrow{CE} , AG→\overrightarrow{AG} 所成角的余弦值即可.

图1.2-4

(1)证明:设 DA→=i\overrightarrow{DA} = i , DC→=j\overrightarrow{DC} = j , DD′→=k\overrightarrow{DD'} = k ,则 {i,j,k}\{i,j,k\} 构成空间的一个单位正交基底.所以

EF→=D′F→−D′E→=12i−12j=12(i−j),\overrightarrow {E F} = \overrightarrow {D ^ {\prime} F} - \overrightarrow {D ^ {\prime} E} = \frac {1}{2} i - \frac {1}{2} j = \frac {1}{2} (i - j),

CA→=DA→−DC→=i−j.\overrightarrow {C A} = \overrightarrow {D A} - \overrightarrow {D C} = i - j.

所以 EF→=12CA→.\overrightarrow{EF}=\frac{1}{2}\overrightarrow{CA}.

所以 EF//ACEF / / AC

(2) 解: 因为

CE→=CC′→+C′E→=−12j+k,\overrightarrow {C E} = \overrightarrow {C C ^ {\prime}} + \overrightarrow {C ^ {\prime} E} = - \frac {1}{2} j + k,

AG→=AD→+DG→=−i+12k,\overrightarrow {A G} = \overrightarrow {A D} + \overrightarrow {D G} = - i + \frac {1}{2} k,

所以

cos⁡⟨CE→,AG→⟩=CE→⋅AG→∣CE→∣∣AG→∣=(−12j+k)⋅(−i+12k)52×52=25.\begin{array}{r l} \cos \langle \overrightarrow {C E}, \overrightarrow {A G} \rangle & = \frac {\overrightarrow {C E} \cdot \overrightarrow {A G}}{| \overrightarrow {C E} | | \overrightarrow {A G} |} = \frac {\left(- \frac {1}{2} \boldsymbol {j} + \boldsymbol {k}\right) \cdot \left(- \boldsymbol {i} + \frac {1}{2} \boldsymbol {k}\right)}{\frac {\sqrt {5}}{2} \times \frac {\sqrt {5}}{2}} \\ & = \frac {2}{5}. \end{array}

所以 CE 与 AG 所成角的余弦值为 25\frac{2}{5} .

练习

  1. 已知四面体 OABC, OB = OC, ∠AOB=∠AOC=θ\angle AOB = \angle AOC = \theta . 求证: OA⊥BCOA \perp BC .

  2. 如图,在平行六面体 ABCD−A′B′C′D′ABCD-A'B'C'D' 中,AB=2,AD=2, AA′=3AA'=3 , ∠BAD=∠BAA′=∠DAA′=60∘\angle BAD=\angle BAA'=\angle DAA'=60^{\circ} 。求 BC′BC' 与 CA′CA' 所成角的余弦值。

(第2题)

(第3题)

  1. 如图,已知正方体 ABCD−A′B′C′D′ABCD-A'B'C'D' , CD′CD' 和 DC′DC' 相交于点 O,连接 AO,求证 AO⊥CD′AO \perp CD' .

习题1.2

复习巩固

  1. 如果向量 a,ba, b 与任何向量都不能构成空间的一个基底,那么 a,ba, b 间应有什么关系?

  2. 若 {a,b,c}\{a, b, c\} 构成空间的一个基底,则下列向量不共面的是() (A) b+cb + c , b, b - c (B) a, a + b, a - b (C) a+ba + b , a - b, c (D) a+ba + b , a+b+ca + b + c , c

  3. 已知四面体 OABC, M, N 分别是棱 OA, BC 的中点, 且 OA→=a\overrightarrow{OA}=a , OB→=b\overrightarrow{OB}=b , OC→=c\overrightarrow{OC}=c , 用 a, b, c 表示向量 MN→\overrightarrow{MN} .

  1. 如图,在空间平移 △ABC\triangle ABC 到 △A′B′C′\triangle A'B'C',连接对应顶点。设 AA′→=a\overrightarrow{AA'} = a,AB→=b\overrightarrow{AB} = b,AC→=c\overrightarrow{AC} = c,MM 是 BC′BC' 的中点,NN 是 B′C′B'C' 的中点,用基底 {a,b,c}\{a, b, c\} 表示向量 AM→\overrightarrow{AM},AN→\overrightarrow{AN}。

(第4题)

综合运用

  1. 如图,在长方体 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 中,M 是 AC 与 BD 的交点。若 D1A1=2, D1C1=2D_{1}A_{1}=2,\ D_{1}C_{1}=2 , D1D=3D_{1}D=3 ,求 B1MB_{1}M 的长。

(第 5 题)

(第6题)

  1. 如图,平行六面体 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 的底面 ABCD 是菱形,且 ∠C1CB=∠C1CD=∠BCD=60∘\angle C_{1}CB = \angle C_{1}CD = \angle BCD = 60^{\circ} , CD=CC1CD = CC_{1} ,求证: CA1⊥CA_{1} \perp 平面 C1BDC_{1}BD .

拓广探索

  1. 如图,在棱长为 1 的正方体 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 中,E,F 分别为 DD1DD_{1} ,BD 的中点,点 G 在 CD 上,且 CG=14CDCG=\frac{1}{4}CD .

(1) 求证: EF⊥B1CEF \perp B_{1}C ;

(2) 求 EF 与 C1GC_{1}G 所成角的余弦值.

  1. 已知四面体中三组相对棱的中点间的距离都相等,求证:这个四面体相对的棱两两垂直.

(第7题)