1.4 空间向量的应用
人教 A 版 · 本节 7 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。
用空间向量研究直线、平面的位置关系:把「垂直」「平行」翻译成两个数
一、本节要装的两件工具
前三节把向量、基底、坐标都备齐了,但立体几何的题面说的还是「直线 与平面 平行」这类话。 要让坐标派上用场,必须先把「直线」和「平面」本身变成向量。本节给出的答案只有两样东西:
- 直线用它的方向向量代表——任取一个与它平行的非零向量;
- 平面用它的法向量代表——任取一个与它垂直的非零向量。
一旦每条直线、每个平面都缩成一个向量,六种位置关系(线线、线面、面面各有平行与垂直) 就全部落到「两个向量平行还是垂直」上,而这两件事早已有了坐标算法。 这就是本节的全部策略。
二、点、直线、平面的向量表示
点:取定基点 ,空间任意一点 由 唯一确定,称 为点 的位置向量。
直线:给定一点 和一个方向就能唯一确定一条直线 。设 是 的方向向量, 在 上取 ,则
换到任意基点 ,就得到课本的两个空间直线的向量表示式:
结论一句话:空间任意直线由直线上一点及直线的方向向量唯一确定。
平面(第一种表示):平面 由内部两条相交直线确定。设它们交于 ,方向向量为 、 (不共线),则由平面向量基本定理, 当且仅当存在唯一的 使
换到任意基点 、并把两个方向向量取成 、,得到空间平面 的向量表示式:
结论一句话:空间中任意平面由一点及两个不共线向量唯一确定。
三、法向量:一个点 一个方向也能定平面
上面那种表示要两个向量,用起来嫌重。但我们还知道另一件事:过一点且垂直于一条给定直线的平面是唯一的。 于是有了更省的表示。
设 ,取 的方向向量 ,就称 为平面 的法向量(normal vector)。 给定点 和向量 ,过 且以 为法向量的平面完全确定,可以写成集合
这个集合式值得停一下:它说「 在平面上」这件几何事,等价于「一个数量积等于零」这件算术事。 后面所有判定的源头都在这里。
三条要记住的性质:
- 法向量不唯一。若 是 的法向量,则 也是。 所以题目总是说「求一个法向量」——取一组最简的整数解就行。
- 法向量必须非零。零向量与任何向量数量积都是 ,用它做法向量,上面那个集合会变成整个空间, 什么也定不了。方向向量同理。
- 同一个平面的任意两个法向量互相平行。所以「两平面平行」可以说成「两法向量平行」。
四、怎么求一个平面的法向量(例 1 的算法)
若平面与某条坐标轴垂直,法向量直接写出来。 例 1 (1) 中平面 与 轴垂直, 所以 就是一个法向量,一步都不用算。建系时若能让待求平面与某条轴垂直,就赚了。
一般情形走「待定系数 两个方程」,这是本章最常用的一段计算,四步:
- 在平面内找两个不共线的向量(通常取平面上三个已知点两两相减,如 、);
- 设 ,列出两个方程 、;
- 解这个齐次方程组。三个未知数、两个方程,解不唯一,把 、 都用 表示;
- 给 取一个值,把分母凑掉。例 1 里 、,取 得 。
第 4 步的取值技巧:把两个表达式的分母求最小公倍数,让 取它,得到的就是最简整数解。 取 也对,只是答案变成 ,与 平行、同样合格。
为什么两个方程就够:法向量要垂直于平面内一切向量,而平面内任意向量都能写成 ,所以只要对这两个基向量垂直,对全体自动垂直 (例 2 的证明用的正是这一步)。关键是那两个向量必须不共线——共线的话它们只张成一条直线,方程组会解出一整张平面的方向,答案不唯一。
五、六条判定,其实只有一条规律
平行的三条( 表方向向量, 表法向量):
垂直的三条:
六条排成一张表,规律一眼可见:
| 线与线 | 线与面 | 面与面 | |
|---|---|---|---|
| 用什么代表 | 与 | ||
| 平行 | 向量平行 | 向量垂直 | 向量平行 |
| 垂直 | 向量垂直 | 向量平行 | 向量垂直 |
规律:线用方向向量、面用法向量。同类相比(线线、面面)时,几何关系与向量关系一致; 异类相比(线面)时,两者正好反过来——因为法向量本身就与平面垂直,多绕了一个直角。 记住这一句,六条都不用背。
唯一需要额外小心的是 那一条:必须补上 。 只说明直线的方向躺在平面里,直线本身可能就在平面内。 所以用坐标证线面平行,算完数量积还要多一步:取直线上一个点,验证它不在平面上。 面面平行同理要排除「两平面重合」。
六、两个例题的读法
例 2 教的是「怎样把一个判定定理证出来」:证面面平行,取 的法向量 , 由 、 得 ; 再对 内任意点 写 ,于是
说明 也是 的法向量,两平面法向量相同(当然平行),故 。 「、 相交」这个条件用在哪里:只有相交(不共线)时 才张成 的全部方向, 才对一切 成立。这正是判定定理里「两条相交直线」的来处。
例 3 教的是「存在性问题怎么设参数」,套路固定:
- 建系写坐标,求出平面 的法向量 ;
- 把动点写成一个参数: 在线段 上,就设 , 并写清 (在线段上,不是在整条直线上);
- 把要求的条件写成方程: 平面 ,解出 ;
- 验根: 落在 内 ✓,且 平面 ✓。两条都过了,点才真的存在。
第 4 步不是形式。若解出 ,点就跑到线段外去了,答案应是「不存在」; 若忘了验 ,可能把「直线在平面内」误判成「平行」。
七、坐标法与基底法各用在哪
例 1、例 3 是长方体,三条共点棱两两垂直,建系最省事。 例 4 是平行六面体(三个 ,棱不垂直),建系反而麻烦,课本改用 §1.2 的基底法: 取 为基底,把 与平面 内的向量都用基向量写出来, 再算数量积。
两条路的分界线很清楚:
- 图中现成有三条两两垂直的共点棱 → 建系用坐标;
- 图中全是斜的(平行六面体、一般棱锥)→ 取三条共点棱作基底,把六个数量积数据先算好。
注意例 4 的证法里有一个通用技巧:要证 平面 , 它没有去找那个平面的法向量,而是反过来证明 自己就是法向量—— 对平面内任意 验证数量积为零。 这与例 2 是同一个思路:只要对张成平面的那两个向量垂直,就对平面内一切向量垂直。
基底法证线面平行:不必求法向量,只看那一个系数
上面这条通用技巧还有一个更省事的兄弟,专门对付线面平行。
法向量那条路()要先把 求出来,而求 通常要建系。可是如果题里现成有一张平面 ,且平面内有两条相交的线段可以当基向量,那就直接把基底取成
于是空间任一向量都唯一地写成 ,而
证线面平行就退化成”算出那一个系数,看它是不是 “——一个数量积都不用算, 甚至不必与另两个垂直(这正是基底法比坐标法宽的地方,§1.2 的空间向量基本定理只要求三个基向量不共面)。
这其实就是把 §1.2 的共面向量条件倒过来读: 说的正是 与 、 共面。但”平行或在平面内”这个”或”字仍在,所以第五节末尾那句提醒一个字都不能省:还要取直线上一个点,验证它不在 上。
倒过来用,它就是例 3 那类存在性问题的基底版。例 3 把动点写成一个参数 ,再让 解出 ;换成基底,就是把定比设成 ,把要平行的那个向量按基底展开,然后
方程有唯一解,就说明那个”看起来很随意”的定比是被平行条件逼出来的、不能改。举个现成的例子:浙江 2013 年 q20 的第 (1) 问给的是 ,取基底 (、 躺在要平行的那张平面里)算得
令 的系数为零即得 ——题面那个 是唯一解,不是出题人挑的漂亮数字。这一句比证明本身更值钱:它告诉你条件之间是怎么咬合的,而卷面标准答案里”取 使 “那个辅助点,不过是同一个方程的几何写法。
八、这一节在本章的位置
| 节 | 新增的东西 | 能回答的问题 |
|---|---|---|
| §1.1–§1.2 | 向量、基底 | 用基底表示、算数量积 |
| §1.3 | 坐标 | 长度、夹角、距离的算术化 |
| §1.4.1(本节) | 方向向量、法向量 | 线线 / 线面 / 面面的平行与垂直 |
| §1.4.2 | 用同样两件工具 | 距离与夹角(点面距、线面角、二面角) |
本节只处理「是不是平行 / 垂直」这类是非题,还不涉及「差多少」。 下一节把同样的方向向量与法向量再用一次,把角度和距离也算出来—— 到那时,立体几何里几乎所有的常规问题都有了统一的向量解法。
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。
本节目录里有七页(page-0031–page-0037),印着 §1.4 的引言与 §1.4.1「用空间向量研究直线、平面的位置关系」
的全部正文(点线面的向量表示、法向量、平行的三条、垂直的三条)和例 1–例 5,
以及两组「练习」共 6 道题:第 29 页(page-0034)3 道,第 31 页(page-0036)3 道。逐题全做。
「习题 1.4」印在 §1.4.2 的目录下,归那一份详解,这里不收。
全篇反复用到的判定,先列在这里( 表直线的方向向量, 表平面的法向量,都要求非零):
- ;。
- ,外加 ;。
- ;。
- 求法向量:在平面内取两个不共线向量,设 ,令两个数量积为零,解出比例后取一组最简整数解。
练习(第 29 页)第 1 题
- 判断下列命题是否正确,正确的在括号内打“√”,错误的打“×”.
(1) 零向量不能作为直线的方向向量和平面的法向量; ()
(2) 若 v 是直线 l 的方向向量,则 也是直线 l 的方向向量; ()
(3) 在空间直角坐标系中, 是坐标平面 的一个法向量. ( )
答案:(1) √;(2) ×;(3) ×。
(1) 正确。 方向向量与法向量的作用都是「指出一个方向」,而零向量没有确定的方向。 更要命的是,若允许 ,那么过点 以它为法向量的「平面」
就是整个空间——因为任何向量与零向量的数量积都是 。同理,若 , 直线的表示式 只能给出 一个点,画不出直线。 所以定义里必须把零向量排除。
(2) 错误。 错在 的范围写成了 ,其中包含 。 时 ,由 (1) 它不能作方向向量。
把条件改成 就对了:若 是 的方向向量,则 ()也是。 而且 的方向向量恰好就是这些。 时方向相反,但仍与 平行,照样合格——方向向量只要求「平行」,不要求「同向」。
(3) 错误。 课本 §1.3.1 已经把三个坐标向量固定下来了: 、、 依次沿 轴、 轴、 轴,也就是
所以命题里的等号 本身就写错了:那是 ,不是 。
而且这个混淆恰好把结论也带错: 是 轴方向的向量, 它落在 平面内( 平面由 、 张成),与该平面平行而不是垂直, 当然不是它的法向量。 平面的法向量必须沿 轴,一个法向量是
一般地是 ,。
把命题改对有两种改法:把符号换成 (「 是 平面的一个法向量」,√), 或者把平面换成 (「 是 平面的一个法向量」,√)。 这道题考的正是「别把 与 记混」,以及「哪条轴垂直于哪张坐标平面」。
顺带把三条对应关系摆齐,以后不会再错:
| 坐标平面 | 由谁张成 | 法向量 |
|---|---|---|
规律:法向量正是「名字里没出现的那个坐标向量」。
练习(第 29 页)第 2 题
- 在平行六面体 中,,,, 是 与 的交点。以 为空间的一个基底,求直线 的一个方向向量。
先把 定位。 关键是看出 是一个平行四边形:
即 与 平行且相等,所以四边形 是平行四边形, 与 正是它的两条对角线。 平行四边形的对角线互相平分,所以交点 就是 的中点(也是 的中点)。
用中点公式算 (起点取 )。先写出两个端点:
于是
自检(换另一条对角线):、,
两条路同一个结果。
写出答案。 直线 的方向向量是任何与 平行的非零向量,而
取最简的一个:
(它与 相差因子 ,方向相反但仍平行,合格。、 、 都是正确答案,题目只要「一个」。)
顺带一条几何事实: 正是平行六面体的体对角线, 而 ,说明 恰是体对角线 的中点,也就是整个平行六面体的中心。 所以直线 就是体对角线 所在的直线——平行六面体的四条体对角线交于一点并互相平分, 这道题实际上顺手证了这个结论的一半。
练习(第 29 页)第 3 题
- 在长方体 中,,,。以 为原点,以 为空间的一个单位正交基底,建立空间直角坐标系 ,求平面 的一个法向量。
先确认基底真的是单位正交的。 长方体里 、、,三条棱两两垂直,所以
三个基向量的长都恰好是 ,单位长度就是普通的长度单位,于是三个点的坐标直接读出来:
(它们分别在 、、 轴上,符合「 为原点、三条棱为轴」的建法。)
在平面内取两个不共线向量:
它们不共线(若 ,由第二个分量得 ,矛盾), 所以 、、 三点确实定出一个平面 ✓。
设 ,列方程组:
由第一式 ,由第二式 。取 把两个分母一次凑掉,得
验算:
所以 是平面 的一个法向量。
答案不唯一:、 等任何非零倍数都对,题目只要「一个」,取最简整数解即可。 课本例 3 里对同一个平面取的是 那条路,得到的也是 。
一个可以记住的模式:平面 在三条轴上的截距分别是 、、, 它的方程是 ,两边乘 得 , 系数 正是法向量。截距式与法向量的这个对应,验算时很好用。
练习(第 31 页)第 1 题
- 用向量方法证明 “直线与平面平行的判定定理”:若平面外一条直线与此平面内的一条直线平行,则该直线与此平面平行.
已知:,,。
求证:。
证明:取直线 的方向向量 、直线 的方向向量 、平面 的法向量 (三者都非零)。
因为 ,所以 ,即存在 使
因为 ,而 是 的法向量、与平面内一切向量垂直,所以
于是
即 。
又已知 ,由线面平行的向量判定
得 。
「平面外」这个条件绝不能丢。 若去掉 ,取 就等于 (它躺在 内), 上面的推导一字不改仍然成立,但结论 就假了。 直线在平面内时,方向向量同样与法向量垂直。 所以数量积为零只证到了「方向躺平」,还差「直线本身不在平面里」这一步, 这一步只能由题设提供。
这道题也解释了课本为什么把 写进判定式里,而不是当成可有可无的附注。
练习(第 31 页)第 2 题
- 如图,在四面体 中, 是 的中点。直线 上是否存在点 ,使得 ?
答案:不存在。
取基底。 四面体 的三条共点棱不共面,所以
构成空间的一个基底,分解系数唯一。
把两条直线的方向向量写出来。 是 的中点,
设 是直线 上的点,则存在 使 ,于是
用反证法。 假设存在这样的 使 。两条直线平行要求方向向量平行, 且 ,故存在 使
移项整理成基底下的分解:
由 是基底,零向量的分解系数必须全为零:
第一式给出 ,代入第二式得 ,矛盾。所以这样的 不存在。
换个纯几何的说法,结论更直观:若 ,则两条平行直线共面, 这张平面同时含 、、,也就是平面 (因为 在 上)。于是 必在平面 内。 可是 又在直线 上,而直线 与平面 只交于点 ( 不在平面 内,否则四点共面、构不成四面体)。 故只能 ,此时 就是直线 ;但 会推出 、、 三点共线, 即 落在直线 上,这与「 是 的中点」矛盾( 在 上要求 在直线 上,四点共面)。 两条路都指向同一个结论:不存在。
顺带看清一件事: 与 若不平行,它们是什么关系?当 时, 平面 而 平面 ,所以 与 是异面直线。
练习(第 31 页)第 3 题
- 如图,在正方体 中,, 分别是面 ,面 的中心。求证: 平面 。
先把两个「面」读对。 立体几何里用一条对角线上的两个顶点给面命名: 「面 」指的是含 与 的那个侧面 ;「面 」指的是含 与 的上底面 。 所以 是侧面 的中心, 是上底面的中心。
建系:棱长设为 。以 为原点, 轴沿 、 轴沿 、 轴沿 :
两个中心(矩形的中心就是对角线的中点):
于是
求平面 的法向量。 平面内取
两者不共线。设 :
取 ,得 。
第一步:验数量积为零。
第二步:验 不在平面内(这一步不能省)。平面 过 、法向量 , 所以它的方程是
把 代进去:,所以 平面 ,于是 平面 。
两步都成立,故
换一条更短的路(不建系): 既是上底面的中心,也就是对角线 的中点; 而 是 的中点。于是在 中, 是中位线,故
而 平面 ,且 平面 ,由线面平行的判定定理(正是本组第 1 题证的那条) 即得 平面 。
用坐标核对这条路:,而 ✓, 两者确实平行且长度减半,与中位线的结论完全一致。
这道题很能说明两条路的分工:坐标法不需要看出中位线,照着算就行; 综合法一旦看出 是 的中点,三行就写完了。先按坐标法把结论算稳,再回头找简洁证法,是稳妥的顺序。
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1.4 空间向量的应用
我们已经把向量从平面推广到空间,并利用空间向量解决了一些有关空间位置关系和度量的问题。我们发现,建立空间向量与几何要素的对应关系是利用空间向量解决立体几何问题的关键。本节我们进一步运用空间向量研究立体几何中有关直线、平面的位置关系和度量问题。
1.4.1 用空间向量研究直线、平面的位置关系
- 空间中点、直线和平面的向量表示
我们知道,点、直线和平面是空间的基本图形,点、线段和平面图形等是组成空间几何体的基本元素。因此,为了用空间向量解决立体几何问题,首先要用向量表示空间中的点、直线和平面。
思考
如何用向量表示空间中的一个点?
如图 1.4-1,在空间中,我们取一定点 O 作为基点,那么空间中任意一点 P 就可以用向量 来表示。我们把向量 称为点 P 的位置向量。

思考
我们知道,空间中给定一个点 和一个方向就能唯一确定一条直线 。如何用向量表示直线 ?
用向量表示直线 ,就是要利用点 和直线 的方向向量表示直线上的任意一点.
如图1.4-2, 是直线 的方向向量,在直线 上取 ,设 是直线 上的任意一点,由向量共线的条件可知,点 在直线 上的充要条件是存在实数 ,使得

进一步地,如图1.4-3,取定空间中的任意一点 ,可以得到点 在直线 上的充要条件是存在实数 ,使
将 代入①式,得

①式和②式都称为空间直线的向量表示式。由此可知,空间任意直线由直线上一点及直线的方向向量唯一确定。
你能证明这个结论吗?
思考
一个定点和两个定方向能否确定一个平面?进一步地,一个定点和一个定方向能否确定一个平面?如果能确定,如何用向量表示这个平面?
我们知道,平面 可以由 内两条相交直线确定。如图1.4-4,设两条直线相交于点 ,它们的方向向量分别为 和 , 为平面 内任意一点,由平面向量基本定理可知,存在唯一的有序实数对 ,使得
这样,点 与向量 , 不仅可以确定平面 ,还可以具体表示出 内的任意一点。这种表示在解决几何问题时有重要作用。


进一步地,如图 1.4-5,取定空间任意一点 O,可以得到,空间一点 P 位于平面 ABC 内的充要条件是存在实数 x,y,使
你能证明这个结论吗?
我们把③式称为空间平面 的向量表示式.由此可知,空间中任意平面由空间一点及两个不共线向量唯一确定.
我们知道,给定空间一点 和一条直线 ,则过点 且垂直于直线 的平面是唯一确定的.由此得到启发,我们可以利用点 A 和直线 l 的方向向量来确定平面.
如图 1.4-6,直线 。取直线 l 的方向向量 a,我们称向量 a 为平面 的法向量 (normal vector)。给定一个点 A 和一个向量 a,那么过点 A,且以向量 a 为法向量的平面完全确定,可以表示为集合 。

如果另有一条直线 ,在直线 上任取向量 与 有什么关系?
例 1 如图 1.4-7,在长方体 中,AB=4,BC=3, ,M 是 AB 的中点。以 D 为原点,DA,DC, 所在直线分别为 x 轴、y 轴、z 轴,建立如图所示的空间直角坐标系。
(1) 求平面 的法向量;

(2) 求平面 的法向量.
图1.4-7
分析:(1)平面 与 y 轴垂直,其法向量可以直
接写出;(2)平面 可以看成由 中的两个向量所确定,运用法向量与它们的垂直关系,可转化为数量积运算求得法向量.
解:(1)因为 轴垂直于平面 ,所以 是平面 的一个法向量.
(2)因为 , , , 是 的中点,所以 , , 的坐标分别为 。因此
设 是平面 的法向量,则
所以
所以
● ●
求平面的法向量,通常只需要求出平面的一个法向量。求直线的方向向量也是如此。
取 ,则 。于是 是平面 的一个法向量。
练习
- 判断下列命题是否正确,正确的在括号内打“√”,错误的打“×”.
(1) 零向量不能作为直线的方向向量和平面的法向量; ()
(2) 若 v 是直线 l 的方向向量,则 也是直线 l 的方向向量; ()
(3) 在空间直角坐标系中, 是坐标平面 的一个法向量. ( )
-
在平行六面体 中,,,, 是 与 的交点。以 为空间的一个基底,求直线 的一个方向向量。
-
在长方体 中,,,。以 为原点,以 为空间的一个单位正交基底,建立空间直角坐标系 ,求平面 的一个法向量。
2. 空间中直线、平面的平行
我们知道,直线的方向向量和平面的法向量是确定空间中的直线和平面的关键量。那么是否能用这些向量来刻画空间直线、平面的平行、垂直关系呢?首先来看平行的问题。
思考
由直线与直线、直线与平面或平面与平面的平行关系,可以得到直线的方向向量、平面的法向量间的什么关系?
如图1.4-8,设 分别是直线 的方向向量。由方向向量的定义可知,如果两条直线平行,那么它们的方向向量一定平行;反过来,如果两条直线的方向向量平行,那么这两条直线也平行。所以
,使得



类似地,如图1.4-9,设 是直线 的方向向量, 是平面 的法向量, 则
如图 1.4-10,设 , 分别是平面 , 的法向量,则
, 使得 .
例 2 证明 “平面与平面平行的判定定理”:若一个平面内的两条相交直线与另一个平面平行,则这两个平面平行.
已知:如图1.4-11, , , , ,
求证:
分析:设平面 的法向量为 n,直线 a,b 的方向向量分别为 u,v,则由已知条件可得 ,由此可以证明 n 与平面 内的任意一个向量垂直,即 n 也是 的法向量.

证明:如图 1.4-11,取平面 的法向量 n,直线 a,b 的方向向量 u,v.
因为 ,所以
因为 ,
所以对任意点 ,存在 ,使得 .
从而
所以,向量 n 也是平面 的法向量.故 .
例3 如图1.4-12,在长方体 中, , , .线段 上是否存在点 ,使得 平面 ?
分析:根据条件建立适当的空间直角坐标系,那么问题中涉及的点、向量 ,,以及平面 的法向量 等都可以用坐标表示。如果点 存在,那么就有 ,由此通过向量的坐标运算可得结果。

解:以 为原点, 所在直线分别为 轴、 轴、 轴,建立如图1.4-12所示的空间直角坐标系。因为 的坐标分别为 ,所以
图1.4-12
设 是平面 的法向量,则 ,即
所以
取 z=6,则 x=4,y=3。所以, 是平面 的一个法向量。
由 的坐标分别为 ,得 。设点 满足 (),则 ,所以 。
令 ,得 ,解得 ,此时 平面 ,这样的点 存在。所以,当 ,即 为 的中点时, 平面 。
练习
-
用向量方法证明 “直线与平面平行的判定定理”:若平面外一条直线与此平面内的一条直线平行,则该直线与此平面平行.
-
如图,在四面体 中, 是 的中点。直线 上是否存在点 ,使得 ?


- 如图,在正方体 中,, 分别是面 ,面 的中心。求证: 平面 。
3. 空间中直线、平面的垂直
思考
类似空间中直线、平面平行的向量表示,在直线与直线、直线与平面、平面与平面的垂直关系中,直线的方向向量、平面的法向量之间有什么关系?
一般地,直线与直线垂直,就是两直线的方向向量垂直;直线与平面垂直,就是直线的方向向量与平面的法向量平行;平面与平面垂直,就是两平面的法向量垂直.
如图1.4-13(1),设直线 , 的方向向量分别为 , ,则



如图1.4-13(2),设直线 的方向向量为 ,平面 的法向量为 ,则
,使得 .
如图 1.4-13(3),设平面 , 的法向量分别为 , ,则
我们随时随地看到向量运算的作用,你同意“向量是躯体,运算是灵魂”“没有运算的向量只能起路标的作用”的说法吗?
例 4 如图 1.4-14,在平行六面体 中, ,求证:直线 平面 .
分析:根据条件,可以 为基底,并用基向量表示 和平面 ,再通过向量运算证明 是平面 的法向量即可.

证明:设 , , ,则 为空间的一个基底,且
因为 , ,所以
在平面 上,取 , 为基向量,则对于平面 上任意一点 ,存在唯一的有序实数对 ,使得
所以,
所以 是平面 的法向量.
所以 平面 .
例 5 证明 “平面与平面垂直的判定定理”:若一个平面过另一个平面的垂线,则这两个平面垂直.
已知:如图1.4-15, ,

求证:
证明:取直线 l 的方向向量 u,平面 的法向量 n.
因为 ,所以 u 是平面 的法向量.
因为 ,而 n 是平面 的法向量,所以 .
所以