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两次正投影换序:Q1=fβ[fα(P)] 与 Q2=fα[fβ(P)] 都跑不出垂直于交线的那张截面 ⟹ ∣PQ1∣=sinθ、∣PQ2∣=sin2θ · 图里 θ=60∘(选项 D 的角)两段不等;sinθ=sin2θ 只在 θ=90∘ 成立 ⟹ 平面α与平面β垂直,官方答案 A
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冷启动:把那个新记号翻译成一句人话
fπ(A)=「过 A 作 π 的垂线,取垂足」=A 在平面 π 上的正投影.
于是题面在说:
- Q1=fβ[fα(P)]:先投到 α,再投到 β;
- Q2=fα[fβ(P)]:先投到 β,再投到 α。
两条路顺序相反,落点一般是不同的两个点。题目要求的是
不管 P 取在哪里,这两个落点离 P 一样远。
问这逼出 α、β 的什么关系。
一句话把空间压成平面
设 α、β 相交于直线 ℓ(平行的情形留到最后单独收拾),
取一个垂直于 ℓ 的平面 γ。γ 与 α、β 各交出一条直线,记作 a、b,
它们的夹角就是那个(锐)二面角 θ。
关键的一句:两次投影都不会把点带出 γ。
理由——投影是沿平面的法线方向走,而 α 的法线垂直 ℓ、故与 γ 平行;
从 γ 内一点沿一个平行于 γ 的方向走,人还在 γ 里。β 同理。
于是整道题降成一张平面图:γ 内的两条直线 a、b,夹角 θ,来回作垂足。
沿 ℓ 方向的那一截,两次投影都原封不动,与结论无关。
![上下两块图。上块是一张没有网格的平面图:从中央偏左的黑色实心圆点 O 出发引出两条黑色实线——一条水平向右的直线 a,一条向右上方斜伸的直线 b。O 处画着一段蓝色圆弧,弧的右外侧有一小块带浅底的蓝字「\theta=60^{\circ}」。水平线右端上方是灰字「a=\gamma\cap\alpha」,斜线顶端右侧是灰字「b=\gamma\cap\beta」。水平线上靠右处有一个黑色实心圆点,下方标着黑字「P」。斜线 b 上有一个红色实心圆点,它的左上方标着红字「Q_{1}」;从 Q_{1} 到 P 有一条红色实线段,Q_{1} 处画着一个红色小直角方框(PQ_{1}\perp b)。从 Q_{1} 竖直向下到水平线,有一条绿色实线段,垂足是绿色实心圆点,下方标着绿字「Q_{2}」,那里也画着一个绿色小直角方框。Q_{2} 与 P 之间的那一段水平线被一条绿色粗线段盖住,Q_{2} 落在 O 与 P 之间。图形下方居中有两行大字:红字「|PQ_{1}|=\sin\theta\approx0.866」,绿字「\neq\ |PQ_{2}|=\sin^{2}\theta=0.750」。上块标题两行:「① 截面 \gamma\perp\ell 里取 P\in\alpha、P 到 \ell 的距离为 1:|PQ_{1}|=\sin\theta,|PQ_{2}|=\sin^{2}\theta」「图上取 \theta=60^{\circ}(选项 D)——一个点就否掉一个选项」。下块是一个直角坐标系,浅灰网格、无边框。横轴刻度为 0^{\circ}、45^{\circ}、60^{\circ}、90^{\circ},纵轴刻度为 0、\frac{1}{2}、\frac{3}{4}、1。图上有两条从左下原点升到右上角的曲线:上面那条是红色粗线,下面那条是深蓝色粗线,两条只在 0^{\circ} 与 90^{\circ} 两处相遇,中间红线始终在蓝线上方。左上角自上而下有三行字:红字「|PQ_{1}|=\sin\theta」、深蓝字「|PQ_{2}|=\sin^{2}\theta」、灰字「C.平面α与平面β平行时:|PQ_{2}|=0\neq d=|PQ_{1}|」。45^{\circ} 与 60^{\circ} 两处各有一条灰色竖虚线,连着同一横坐标上的一个红点与一个蓝点,虚线中点旁各有一块带浅底的灰字:45^{\circ} 那条的标注在虚线左侧,写着「B.45^{\circ}:\frac{\sqrt{2}}{2}\neq\frac{1}{2}」;60^{\circ} 那条的标注在虚线右侧,写着「D.60^{\circ}:\frac{\sqrt{3}}{2}\neq\frac{3}{4}」。90^{\circ} 处两条曲线交于纵坐标 1 的一点,那里画着一个绿色实心大圆点。图的中下部有一块带浅底的绿色大字,两行:「\theta=90^{\circ}:两条曲线唯一相遇处」「即「平面α与平面β垂直」(选 A)」。下块标题两行:「② \sin\theta=\sin^{2}\theta\ \Leftrightarrow\ \sin\theta\,(1-\sin\theta)=0」「\theta\in(0^{\circ},90^{\circ}] 上只有 \theta=90^{\circ} 一个解」。](/_astro/q10-figure.DHUIx8Bi_Z1zCWQh.webp)
上块是解法一那一个点;下块把这个点的两条长度当成 θ 的函数画出来,
四个选项的命运一眼可见:只有 90∘ 处两条曲线合到一起。
解法一:降到一个截面,取一个点就够——比 sinθ 与 sin2θ
题目说的是「对任意 P 恒有」。要否定它,一个 P 就够;
要肯定它,才需要对所有 P 验。所以先用一个点把三个选项打掉。
第一步:把这个点取得最省事
在 α 内取 P,使 P 到交线 ℓ 的距离为 1。
好处是第一次投影白投:P 本来就在 α 上,fα(P)=P。
在截面 γ 里(记 O=a∩b,则 OP=1):
第二步:量出两条长度
第一条路(先 α 后 β):fα(P)=P,再投到 b 得垂足 Q1。
直角三角形 OPQ1 里 ∠Q1=90∘、∠O=θ,于是
∣PQ1∣=OPsinθ=sinθ,OQ1=cosθ.
第二条路(先 β 后 α):fβ(P) 正是同一个 Q1,
再把它投到 a 得垂足 Q2,同一套直角三角形给
OQ2=OQ1cosθ=cos2θ.
θ 是锐角或直角,cosθ⩾0,故 Q2 与 P 同在射线 OP 上:
∣PQ2∣=OP−OQ2=1−cos2θ=sin2θ.
第三步:让它们相等
sinθ=sin2θ ⟺ sinθ(1−sinθ)=0.
α、β 是两个不同的相交平面,θ∈(0∘,90∘],故 sinθ∈(0,1],
只剩 sinθ=1,即
θ=90∘.
B(45∘)、D(60∘)当场出局:
sin45∘=22≈0.707 而 sin245∘=21;
sin60∘=23≈0.866 而 sin260∘=43。都不等。
第四步:把平行那一档单独收掉
若 α∥β(相距 d>0),仍取 P∈α:
- Q1=fβ[fα(P)]=fβ(P),∣PQ1∣=d;
- Q2=fα[fβ(P)]:fβ(P) 沿公共法线走了 d,再投回 α 又沿同一条法线走回来,
正好回到 P,故 ∣PQ2∣=0。
d=0,C 出局。四个选项只剩 A。
解法二:反过来验 A,α⊥β 时 Q1、Q2 一起落到交线上
解法一只证了「不可能是别的」。这一条正面证「α⊥β 确实做得到」,把结论补全。
设 α⊥β,交线为 ℓ。因为两面垂直,可以取这样一组坐标:
ℓ 为 x 轴,α 为 xOy 平面,β 为 xOz 平面。
在这组坐标下,投影就是”抹掉一个坐标”:
fα(x,y,z)=(x,y,0),fβ(x,y,z)=(x,0,z).
于是对任意 P(x,y,z):
Q1=fβ(x,y,0)=(x,0,0),Q2=fα(x,0,z)=(x,0,0).
Q1=Q2=(x,0,0)=P 在 ℓ 上的垂足
两个点根本就是同一个点,∣PQ1∣=∣PQ2∣ 当然恒成立。
所以 A 不只是”没被排除”,它是真的成立。选 A。
顺带一提:这也解释了官方解答里那句”Q1、Q2 重合于同一点”——
它是 α⊥β 的结果,不是可以直接从”等距”跳过去的前提。
解法三:一条恒等式说完全部——交叉项自己抵消
前两条路各管一半。这一条在两平面相交的前提下把两半一次算完,
顺便解释”为什么偏偏是垂直”。
先把适用范围说清:下面要取交线 ℓ 和截面 γ,所以整条推导只覆盖 α∩β=∅ 的情形。
α∥β 那一档根本进不了这个参数化(没有 ℓ 就没有 θ),
必须另外收拾——解法一第四步已经用一个 P 把它排掉了,这里不重复。
仍在截面 γ 里:m、n 分别是沿 a、b 的单位向量,m⋅n=cosθ。
把 OP 拆成”沿 ℓ“与”在 γ 内”两截,沿 ℓ 的那截两次投影都不动,
只需盯住 γ 内的那一截,记作 w。此时投影就是数量积:
投到 a: w↦(w⋅m)m,投到 b: w↦(w⋅n)n.
两条路各走一遍:
OQ1=(w⋅m)cosθn,OQ2=(w⋅n)cosθm.
平方展开(∣m∣=∣n∣=1):
∣PQ1∣2=∣w∣2−2cosθ(w⋅m)(w⋅n)+cos2θ(w⋅m)2,
∣PQ2∣2=∣w∣2−2cosθ(w⋅n)(w⋅m)+cos2θ(w⋅n)2.
中间那一项两边一模一样(数量积可交换),一减就没了:
∣PQ1∣2−∣PQ2∣2=cos2θ[(w⋅m)2−(w⋅n)2]
要它对一切 w 为零,只有两条出路:
- cosθ=0,即 θ=90∘——这一条对一切 w 都灵;
- 或者 (w⋅m)2=(w⋅n)2 对一切 w 成立。
取 w=m 得 1=cos2θ,即 m=±n:截线 a、b 重合,
于是 α=ℓ⊕a 与 β=ℓ⊕b 也重合。题目说的是两个不同的平面,这一支不存在。
所以在相交的前提下恰好是 α⊥β;再补上解法一第四步排掉的平行那一档,答案唯一,选 A。
这条恒等式还顺手回答了一个自然的疑问:为什么”等距”这么弱的条件能逼出垂直?
因为两条路的差别只剩最后那一项 cos2θ(⋯)2——
交叉项天然对称、抵消得干干净净,剩下的那点差异只能靠 cosθ=0 抹平。
四个选项与那个最常见的坑
- A.α⊥β——正确。此时 Q1=Q2=P 在交线上的垂足。
- B.45∘、D.60∘——被 sinθ=sin2θ 当场否掉。
这两个角是出题人放的诱饵:45∘ 让人想起”等腰”,60∘ 让人想起”正三角形”,
但本题的方程里根本没有它们的位置。
- C.α∥β——最像的错项。乍看”两次投影对称”,
其实差得最远:一条路走了 d,另一条路原地不动(走了 0)。
最容易翻车的一步不是几何,是量词。 题面写的是”对空间任意一点 P,恒有 PQ1=PQ2”:
- 想否掉一个选项:举一个 P 就够(解法一第二步);
- 想确认一个选项:必须对所有 P 都验(解法二那句”对任意 P(x,y,z)“不能省)。
把这两个方向做反——只验一个点就宣布 A 成立,或者要求举遍所有点才敢排除 D——
是这道题最常见的失分处。
一条可以带走的结论
把两次正投影按不同顺序复合,一般是两个不同的映射。
它们对每个点都给出等距落点,当且仅当两个平面垂直;
而这时它们其实是同一个映射——都等于”投到交线上”。
换句话说:fα 与 fβ 可交换 ⟺ α⊥β(或两面重合)。