转着看 · 换个机位再判断
四棱锥 A A A -B C D E BCDE B C D E :底面直角梯形(∠ C D E = ∠ B E D = 90 ∘ \angle CDE=\angle BED=90^{\circ} ∠ C D E = ∠ B E D = 9 0 ∘ ,C D = 2 CD=2 C D = 2 、D E = B E = 1 DE=BE=1 D E = B E = 1 ),平面 A B C ⊥ ABC\perp A B C ⊥ 平面 B C D E BCDE B C D E 加上 A C 2 + B C 2 = A B 2 AC^{2}+BC^{2}=AB^{2} A C 2 + B C 2 = A B 2 把 A A A 钉在 C C C 正上方 2 \sqrt{2} 2 处 ⟹ (I) D E ⊥ DE\perp D E ⊥ 平面 A C D ACD A C D ;(II) B F ⊥ A D BF\perp AD B F ⊥ A D 、F G ∥ D E FG\parallel DE F G ∥ D E 也 ⊥ A D \perp AD ⊥ A D ,cos ∠ B F G = 3 2 \cos\angle BFG=\frac{\sqrt{3}}{2} cos ∠ B F G = 2 3 ,二面角 B B B -A D AD A D -E E E 为 π 6 \frac{\pi}{6} 6 π
机位 1 题图角度 2 正对 BFG 3 沿 BFG 看 4 俯视 自由视角
拖动旋转 · 滚轮缩放(触屏双指)
冷启动:把这个四棱锥的形状先钉死
题面配了一张立体图,但站上这份转写没把它单独切出来(只有整页的题解图)。
没关系——这道题的形状完全可以由文字条件唯一确定,而且必须由文字确定,看图猜是靠不住的。
下面就把它搭一遍。
第一步:底面 BCDE 是个直角梯形
∠ C D E = ∠ B E D = 90 ∘ \angle CDE=\angle BED=90^{\circ} ∠ C D E = ∠ B E D = 9 0 ∘ 说的是两件事:D C ⊥ D E DC\perp DE D C ⊥ D E ,以及 E B ⊥ E D EB\perp ED E B ⊥ E D 。
同一条 D E DE D E 垂直于 D C DC D C 和 E B EB E B ,所以 D C ∥ E B DC\parallel EB D C ∥ E B ——底面是直角梯形,
D E DE D E 就是那条同时垂直于两底的腰。已知 D C = 2 DC=2 D C = 2 、E B = 1 EB=1 E B = 1 、D E = 1 DE=1 D E = 1 ,形状唯一。
顺手把 B C BC B C 与 B D BD B D 算出来(后面全要用):
B C = ( D C − E B ) 2 + D E 2 = 1 2 + 1 2 = 2 , B D = D E 2 + E B 2 = 1 + 1 = 2 . BC=\sqrt{(DC-EB)^{2}+DE^{2}}=\sqrt{1^{2}+1^{2}}=\sqrt2,\qquad
BD=\sqrt{DE^{2}+EB^{2}}=\sqrt{1+1}=\sqrt2 . B C = ( D C − E B ) 2 + D E 2 = 1 2 + 1 2 = 2 , B D = D E 2 + E B 2 = 1 + 1 = 2 .
(B D BD B D 那条用的是 ∠ B E D = 90 ∘ \angle BED=90^{\circ} ∠ B E D = 9 0 ∘ ,△ B E D \triangle BED △ B E D 是等腰直角三角形 。)
第二步:顶点 A A A 在哪里——本题唯一的关口
题给 A B = 2 AB=2 A B = 2 、A C = 2 AC=\sqrt2 A C = 2 ,加上刚算出的 B C = 2 BC=\sqrt2 B C = 2 :
A C 2 + B C 2 = 2 + 2 = 4 = A B 2 ⟹ A C ⊥ B C . AC^{2}+BC^{2}=2+2=4=AB^{2}\ \Longrightarrow\ AC\perp BC . A C 2 + B C 2 = 2 + 2 = 4 = A B 2 ⟹ A C ⊥ B C .
这一步是算出来的,不是看出来的。 有了它,再用条件「平面 A B C ⊥ ABC\perp A B C ⊥ 平面 B C D E BCDE B C D E 」:
两个平面的交线正是 B C BC B C ,而 A C AC A C 在平面 A B C ABC A B C 内、且 A C ⊥ B C AC\perp BC A C ⊥ B C ,由面面垂直的性质定理
A C ⊥ 平面 B C D E \boxed{\,AC\perp\text{平面 }BCDE\,} A C ⊥ 平面 B C D E
到此整个立体就定死了 :A A A 竖在 C C C 的正上方,高 A C = 2 AC=\sqrt2 A C = 2 。
这里是最容易出事的地方:「面面垂直」不能直接说成「线面垂直」。
平面 A B C ⊥ ABC\perp A B C ⊥ 平面 B C D E BCDE B C D E 只保证平面 A B C ABC A B C 内垂直于交线 B C BC B C 的那些直线垂直于底面;
A B AB A B 就不垂直于底面。所以必须先有 A C ⊥ B C AC\perp BC A C ⊥ B C 这个勾股逆定理算出来的直角,
这条性质定理才用得上。
第三步:把要用的长度一次算齐
A C ⊥ AC\perp A C ⊥ 平面 B C D E BCDE B C D E ,于是 A C AC A C 垂直于底面里的每一条线,特别地 A C ⊥ C D AC\perp CD A C ⊥ C D :
A D = A C 2 + C D 2 = 2 + 4 = 6 . AD=\sqrt{AC^{2}+CD^{2}}=\sqrt{2+4}=\sqrt6 . A D = A C 2 + C D 2 = 2 + 4 = 6 .
再看 △ A B D \triangle ABD △ A B D :B D 2 + A B 2 = 2 + 4 = 6 = A D 2 BD^{2}+AB^{2}=2+4=6=AD^{2} B D 2 + A B 2 = 2 + 4 = 6 = A D 2 ,所以
∠ A B D = 90 ∘ . \angle ABD=90^{\circ}. ∠ A B D = 9 0 ∘ .
这个直角是白捡的,解法一和解法三都要靠它。 至于 A E AE A E ,等第(Ⅰ)问证完再算
(要用到 D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D ):A E = A D 2 + D E 2 = 6 + 1 = 7 AE=\sqrt{AD^{2}+DE^{2}}=\sqrt{6+1}=\sqrt7 A E = A D 2 + D E 2 = 6 + 1 = 7 。
(Ⅰ)证明 D E ⊥ DE\perp D E ⊥ 平面 A C D ACD A C D :两条垂直,一个判定定理
这一问三条解法共用,先单独写。要证一条线垂直于一个平面,
判定定理要的是「垂直于平面内两条相交直线」 ,所以去平面 A C D ACD A C D 里找两条:
D E ⊥ D C DE\perp DC D E ⊥ D C ——题给的 ∠ C D E = 90 ∘ \angle CDE=90^{\circ} ∠ C D E = 9 0 ∘ ,直接可用;
D E ⊥ A C DE\perp AC D E ⊥ A C ——D E DE D E 躺在平面 B C D E BCDE B C D E 里,而冷启动第二步已得 A C ⊥ AC\perp A C ⊥ 平面 B C D E BCDE B C D E ,
所以 A C AC A C 垂直于底面内的每一条直线,D E DE D E 自然在内。
D C DC D C 与 A C AC A C 都在平面 A C D ACD A C D 内,且交于点 C C C (「相交」这个条件一定要写出来 ,
两条平行线是不够的)。由线面垂直的判定定理 ,
D E ⊥ 平面 A C D \boxed{\,DE\perp\text{平面 }ACD\,} D E ⊥ 平面 A C D
顺带收一个后面反复要用的推论 :A D ⊂ AD\subset A D ⊂ 平面 A C D ACD A C D ,所以 D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D 。
这句话让第(Ⅱ)问省掉一半力气——二面角 的棱是 A D AD A D ,而 D E DE D E 这条边天生就垂直于棱 。
解法一:按定义把平面角 ∠ B F G \angle BFG ∠ B F G 作出来,再用余弦定理
怎么想到的: 二面角 的定义就是「在棱上取一点,两个半平面内各作一条垂直于棱的射线,
两射线的夹角」。所以老老实实按定义造:棱是 A D AD A D ,两个半平面一个含 B B B 、一个含 E E E 。
造平面角
含 B B B 的那一侧 :作 B F ⊥ A D BF\perp AD B F ⊥ A D ,垂足为 F F F 。B F BF B F 在半平面 A D B ADB A D B 内且垂直于棱。
含 E E E 的那一侧 :过 F F F 作 F G ∥ D E FG\parallel DE F G ∥ D E ,交 A E AE A E 于 G G G 。
由(Ⅰ)的推论 D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D ,平行线同垂直,所以 F G ⊥ A D FG\perp AD F G ⊥ A D ;
而 F ∈ A D F\in AD F ∈ A D 、D E ⊂ DE\subset D E ⊂ 平面 A D E ADE A D E ,所以整条 F G FG F G 都躺在半平面 A D E ADE A D E 里。
两条射线都垂直于棱 A D AD A D ,于是 ∠ B F G \angle BFG ∠ B F G 就是所求二面角 的平面角。
原卷这里印的是「过点 F F F 作 F G ∥ D E FG\parallel DE F G ∥ D E ,与 A B AB A B 交于点 G G G 」,是笔误。
过 F F F 且平行于 D E DE D E 的直线整条都在平面 A D E ADE A D E 内(因为 F ∈ A D ⊂ F\in AD\subset F ∈ A D ⊂ 平面 A D E ADE A D E ,
而 D E DE D E 也在这个平面里),它只可能与 A E AE A E 相交,碰不到 A B AB A B 。原卷后文用的
△ A B G \triangle ABG △ A B G 与 B G = 2 3 BG=\frac23 B G = 3 2 ,算的也正是 G G G 在 A E AE A E 上的那个点。
三条边各算一次
B F BF B F ——直角三角形 斜边上的高。 冷启动里已得 ∠ A B D = 90 ∘ \angle ABD=90^{\circ} ∠ A B D = 9 0 ∘ ,
△ A B D \triangle ABD △ A B D 是以 A D AD A D 为斜边的直角三角形 ,两直角边 A B = 2 AB=2 A B = 2 、B D = 2 BD=\sqrt2 B D = 2 :
B F = A B ⋅ B D A D = 2 2 6 = 2 3 3 , D F = B D 2 A D = 2 6 = 6 3 . BF=\frac{AB\cdot BD}{AD}=\frac{2\sqrt2}{\sqrt6}=\frac{2\sqrt3}{3},
\qquad
DF=\frac{BD^{2}}{AD}=\frac{2}{\sqrt6}=\frac{\sqrt6}{3}. B F = A D A B ⋅ B D = 6 2 2 = 3 2 3 , D F = A D B D 2 = 6 2 = 3 6 .
于是 A F = A D − D F = 6 − 6 3 = 2 6 3 = 2 3 A D AF=AD-DF=\sqrt6-\dfrac{\sqrt6}{3}=\dfrac{2\sqrt6}{3}=\dfrac23AD A F = A D − D F = 6 − 3 6 = 3 2 6 = 3 2 A D 。
F G FG F G ——相似比。 F G ∥ D E FG\parallel DE F G ∥ D E 使 △ A F G ∼ △ A D E \triangle AFG\sim\triangle ADE △ A F G ∼ △ A D E ,相似比就是 A F A D = 2 3 \dfrac{AF}{AD}=\dfrac23 A D A F = 3 2 :
F G = 2 3 D E = 2 3 , A G = 2 3 A E = 2 7 3 . FG=\frac23DE=\frac23,\qquad AG=\frac23AE=\frac{2\sqrt7}{3}. F G = 3 2 D E = 3 2 , A G = 3 2 A E = 3 2 7 .
B G BG B G ——在 △ A B G \triangle ABG △ A B G 里用余弦定理 。 要先有 cos ∠ B A G \cos\angle BAG cos ∠ B A G ,
而 ∠ B A G \angle BAG ∠ B A G 就是 ∠ B A E \angle BAE ∠ B A E (G G G 在 A E AE A E 上),在 △ A B E \triangle ABE △ A B E 里算:
A B = 2 AB=2 A B = 2 、A E = 7 AE=\sqrt7 A E = 7 、B E = 1 BE=1 B E = 1 ,
cos ∠ B A E = A B 2 + A E 2 − B E 2 2 A B ⋅ A E = 4 + 7 − 1 2 ⋅ 2 ⋅ 7 = 10 4 7 = 5 7 14 . \cos\angle BAE=\frac{AB^{2}+AE^{2}-BE^{2}}{2\,AB\cdot AE}=\frac{4+7-1}{2\cdot2\cdot\sqrt7}
=\frac{10}{4\sqrt7}=\frac{5\sqrt7}{14}. cos ∠ B A E = 2 A B ⋅ A E A B 2 + A E 2 − B E 2 = 2 ⋅ 2 ⋅ 7 4 + 7 − 1 = 4 7 10 = 14 5 7 .
再在 △ A B G \triangle ABG △ A B G 里用一次:
B G 2 = A B 2 + A G 2 − 2 A B ⋅ A G cos ∠ B A E = 4 + 28 9 − 2 ⋅ 2 ⋅ 2 7 3 ⋅ 5 7 14 = 4 + 28 9 − 20 3 = 4 9 , BG^{2}=AB^{2}+AG^{2}-2\,AB\cdot AG\cos\angle BAE
=4+\frac{28}{9}-2\cdot2\cdot\frac{2\sqrt7}{3}\cdot\frac{5\sqrt7}{14}
=4+\frac{28}{9}-\frac{20}{3}=\frac{4}{9}, B G 2 = A B 2 + A G 2 − 2 A B ⋅ A G cos ∠ B A E = 4 + 9 28 − 2 ⋅ 2 ⋅ 3 2 7 ⋅ 14 5 7 = 4 + 9 28 − 3 20 = 9 4 ,
所以 B G = 2 3 BG=\dfrac23 B G = 3 2 。
原卷这一行印成「B C = 2 3 BC=\frac23 B C = 3 2 」,也是笔误 ——B C BC B C 在冷启动里已经算出是 2 \sqrt2 2 ,
这里要的是 B G BG B G 。
收口
在 △ B F G \triangle BFG △ B F G 中用余弦定理 :
cos ∠ B F G = F G 2 + B F 2 − B G 2 2 B F ⋅ F G = 4 9 + 4 3 − 4 9 2 ⋅ 2 3 3 ⋅ 2 3 = 4 3 8 3 9 = 3 2 . \cos\angle BFG=\frac{FG^{2}+BF^{2}-BG^{2}}{2\,BF\cdot FG}
=\frac{\frac49+\frac43-\frac49}{2\cdot\frac{2\sqrt3}{3}\cdot\frac23}
=\frac{\frac43}{\frac{8\sqrt3}{9}}=\frac{\sqrt3}{2}. cos ∠ B F G = 2 B F ⋅ F G F G 2 + B F 2 − B G 2 = 2 ⋅ 3 2 3 ⋅ 3 2 9 4 + 3 4 − 9 4 = 9 8 3 3 4 = 2 3 .
∠ B F G = π 6 \boxed{\,\angle BFG=\frac{\pi}{6}\,} ∠ B F G = 6 π
注意 F G 2 FG^{2} F G 2 与 B G 2 BG^{2} B G 2 恰好都等于 4 9 \frac49 9 4 、当场抵消——这不是巧合:
F G = B G FG=BG F G = B G 说明 △ B F G \triangle BFG △ B F G 是等腰三角形 ,顶角在 F F F 对面。看到两个数相等就该顺手一约,
不要硬算。
解法二:建系求两个半平面所在平面的法向量
怎么想到的: 冷启动已经交出两样东西——底面里 D E ⊥ D C DE\perp DC D E ⊥ D C 给了两条互相垂直的水平方向,
A C ⊥ AC\perp A C ⊥ 底面给了竖直方向。三条两两垂直的方向凑齐了,坐标系就该建。
以 D D D 为原点,射线 D E DE D E 为 x x x 轴正向、射线 D C DC D C 为 y y y 轴正向、
过 D D D 且与 C A CA C A 同向的方向为 z z z 轴正向:
D ( 0 , 0 , 0 ) , E ( 1 , 0 , 0 ) , C ( 0 , 2 , 0 ) , A ( 0 , 2 , 2 ) , B ( 1 , 1 , 0 ) . D(0,0,0),\quad E(1,0,0),\quad C(0,2,0),\quad A(0,2,\sqrt2),\quad B(1,1,0). D ( 0 , 0 , 0 ) , E ( 1 , 0 , 0 ) , C ( 0 , 2 , 0 ) , A ( 0 , 2 , 2 ) , B ( 1 , 1 , 0 ) .
(B B B 的来历:E B ⊥ E D EB\perp ED E B ⊥ E D 且 E B = 1 EB=1 E B = 1 ,B B B 与 C C C 在 D E DE D E 的同侧,所以
B = E + ( 0 , 1 , 0 ) = ( 1 , 1 , 0 ) B=E+(0,1,0)=(1,1,0) B = E + ( 0 , 1 , 0 ) = ( 1 , 1 , 0 ) 。A A A 的来历:A A A 在 C C C 正上方、C A = 2 CA=\sqrt2 C A = 2 。)
建完系一定回代验一遍,这是最省事的纠错手段 :
A B = ∣ ( 1 , − 1 , − 2 ) ∣ = 2 ✓ , A C = ∣ ( 0 , 0 , − 2 ) ∣ = 2 ✓ , C D = 2 ✓ , D E = B E = 1 ✓ . AB=|(1,-1,-\sqrt2)|=2\ \checkmark,\quad AC=|(0,0,-\sqrt2)|=\sqrt2\ \checkmark,\quad
CD=2\ \checkmark,\quad DE=BE=1\ \checkmark . A B = ∣ ( 1 , − 1 , − 2 ) ∣ = 2 ✓ , A C = ∣ ( 0 , 0 , − 2 ) ∣ = 2 ✓ , C D = 2 ✓ , D E = B E = 1 ✓ .
四个条件全对上,说明坐标没设错。
(Ⅰ)的向量版本
D E → = ( 1 , 0 , 0 ) \overrightarrow{DE}=(1,0,0) D E = ( 1 , 0 , 0 ) ,D C → = ( 0 , 2 , 0 ) \overrightarrow{DC}=(0,2,0) D C = ( 0 , 2 , 0 ) ,D A → = ( 0 , 2 , 2 ) \overrightarrow{DA}=(0,2,\sqrt2) D A = ( 0 , 2 , 2 ) 。
两个数量积都是 0 0 0 ,而 D C DC D C 、D A DA D A 是平面 A C D ACD A C D 内两条相交直线,故 D E ⊥ DE\perp D E ⊥ 平面 A C D ACD A C D 。
(Ⅱ)两个法向量
平面 A D E ADE A D E 的法向量 m = ( x 1 , y 1 , z 1 ) \boldsymbol m=(x_1,y_1,z_1) m = ( x 1 , y 1 , z 1 ) :
m ⋅ D E → = 0 ⇒ x 1 = 0 , m ⋅ D A → = 0 ⇒ 2 y 1 + 2 z 1 = 0. \boldsymbol m\cdot\overrightarrow{DE}=0\Rightarrow x_1=0,\qquad
\boldsymbol m\cdot\overrightarrow{DA}=0\Rightarrow 2y_1+\sqrt2z_1=0 . m ⋅ D E = 0 ⇒ x 1 = 0 , m ⋅ D A = 0 ⇒ 2 y 1 + 2 z 1 = 0.
取 y 1 = 1 y_1=1 y 1 = 1 ,得 m = ( 0 , 1 , − 2 ) \boldsymbol m=(0,1,-\sqrt2) m = ( 0 , 1 , − 2 ) ,∣ m ∣ = 3 |\boldsymbol m|=\sqrt3 ∣ m ∣ = 3 。
平面 A B D ABD A B D 的法向量 n = ( x 2 , y 2 , z 2 ) \boldsymbol n=(x_2,y_2,z_2) n = ( x 2 , y 2 , z 2 ) ,其中 D B → = ( 1 , 1 , 0 ) \overrightarrow{DB}=(1,1,0) D B = ( 1 , 1 , 0 ) :
n ⋅ D A → = 0 ⇒ 2 y 2 + 2 z 2 = 0 , n ⋅ D B → = 0 ⇒ x 2 + y 2 = 0. \boldsymbol n\cdot\overrightarrow{DA}=0\Rightarrow 2y_2+\sqrt2z_2=0,\qquad
\boldsymbol n\cdot\overrightarrow{DB}=0\Rightarrow x_2+y_2=0 . n ⋅ D A = 0 ⇒ 2 y 2 + 2 z 2 = 0 , n ⋅ D B = 0 ⇒ x 2 + y 2 = 0.
取 y 2 = 1 y_2=1 y 2 = 1 ,得 n = ( − 1 , 1 , − 2 ) \boldsymbol n=(-1,1,-\sqrt2) n = ( − 1 , 1 , − 2 ) ,∣ n ∣ = 2 |\boldsymbol n|=2 ∣ n ∣ = 2 。
原卷这里印的 n = ( 0 , − 1 , 2 ) \boldsymbol n=(0,-1,\sqrt2) n = ( 0 , − 1 , 2 ) 站不住 :它确实满足第一个方程,
但代进第二个得 0 + ( − 1 ) = − 1 ≠ 0 0+(-1)=-1\neq0 0 + ( − 1 ) = − 1 = 0 。而且 ( 0 , − 1 , 2 ) = − m (0,-1,\sqrt2)=-\boldsymbol m ( 0 , − 1 , 2 ) = − m ,
两个平面的法向量成了反向的同一条,夹角余弦会是 1 1 1 而不是 3 2 \frac{\sqrt3}{2} 2 3 。
原卷后面写的 3 3 ⋅ 2 \dfrac{3}{\sqrt3\cdot2} 3 ⋅ 2 3 里 ∣ n ∣ = 2 |\boldsymbol n|=2 ∣ n ∣ = 2 、m ⋅ n = 3 \boldsymbol m\cdot\boldsymbol n=3 m ⋅ n = 3 ,
用的正是本文这个 ( − 1 , 1 , − 2 ) (-1,1,-\sqrt2) ( − 1 , 1 , − 2 ) ——算是对的,印错了一行 。
∣ cos ⟨ m , n ⟩ ∣ = ∣ m ⋅ n ∣ ∣ m ∣ ∣ n ∣ = ∣ 0 + 1 + 2 ∣ 3 ⋅ 2 = 3 2 . \left|\cos\langle\boldsymbol m,\boldsymbol n\rangle\right|
=\frac{|\boldsymbol m\cdot\boldsymbol n|}{|\boldsymbol m||\boldsymbol n|}
=\frac{|0+1+2|}{\sqrt3\cdot2}=\frac{\sqrt3}{2}. ∣ cos ⟨ m , n ⟩ ∣ = ∣ m ∣∣ n ∣ ∣ m ⋅ n ∣ = 3 ⋅ 2 ∣0 + 1 + 2∣ = 2 3 .
别停在这里:法向量夹角不等于二面角
∣ cos ⟨ m , n ⟩ ∣ = 3 2 \left|\cos\langle\boldsymbol m,\boldsymbol n\rangle\right|=\frac{\sqrt3}{2} ∣ cos ⟨ m , n ⟩ ∣ = 2 3 只说明二面角 是
π 6 \frac{\pi}{6} 6 π 或 5 π 6 \frac{5\pi}{6} 6 5 π ,两者互补。原卷用的理由是「由题意可知,所求二面角 是锐角」——
这是在看图,靠不住。 换一个算得出来的判法:
在棱 A D AD A D 上取点 D D D 。含 E E E 的那一侧,方向向量就是 D E → = ( 1 , 0 , 0 ) \overrightarrow{DE}=(1,0,0) D E = ( 1 , 0 , 0 )
(由(Ⅰ)它已经垂直于棱,不用再修)。含 B B B 的那一侧,把 D B → \overrightarrow{DB} D B 减去它在棱上的投影:
u = D B → − D B → ⋅ D A → ∣ D A → ∣ 2 D A → = ( 1 , 1 , 0 ) − 2 6 ( 0 , 2 , 2 ) = ( 1 , 1 3 , − 2 3 ) , ∣ u ∣ = 2 3 . \boldsymbol u=\overrightarrow{DB}-\frac{\overrightarrow{DB}\cdot\overrightarrow{DA}}{|\overrightarrow{DA}|^{2}}\overrightarrow{DA}
=(1,1,0)-\frac{2}{6}(0,2,\sqrt2)=\left(1,\ \frac13,\ -\frac{\sqrt2}{3}\right),
\qquad |\boldsymbol u|=\frac{2}{\sqrt3}. u = D B − ∣ D A ∣ 2 D B ⋅ D A D A = ( 1 , 1 , 0 ) − 6 2 ( 0 , 2 , 2 ) = ( 1 , 3 1 , − 3 2 ) , ∣ u ∣ = 3 2 .
这两条才是平面角的两条边:
cos θ = D E → ⋅ u ∣ D E → ∣ ∣ u ∣ = 1 2 / 3 = 3 2 > 0. \cos\theta=\frac{\overrightarrow{DE}\cdot\boldsymbol u}{|\overrightarrow{DE}||\boldsymbol u|}
=\frac{1}{2/\sqrt3}=\frac{\sqrt3}{2}>0 . cos θ = ∣ D E ∣∣ u ∣ D E ⋅ u = 2/ 3 1 = 2 3 > 0.
余弦为正,二面角 是锐角,θ = π 6 \theta=\dfrac{\pi}{6} θ = 6 π ——这回是算出来的,不是看出来的。
θ = π 6 \boxed{\,\theta=\frac{\pi}{6}\,} θ = 6 π
解法三:等体积法求 B B B 到平面 A D E ADE A D E 的距离
怎么想到的: 前两条路都要么作图、要么解方程组。但二面角 还有一条几乎不用作图的公式:
sin θ = B H B F , \sin\theta=\frac{BH}{BF}, sin θ = B F B H ,
其中 B F ⊥ BF\perp B F ⊥ 棱 A D AD A D (垂足 F F F ),B H ⊥ BH\perp B H ⊥ 平面 A D E ADE A D E (垂足 H H H )。
理由 :B H ⊥ BH\perp B H ⊥ 平面 A D E ADE A D E ,由三垂线定理的逆命题,F H ⊥ A D FH\perp AD F H ⊥ A D 。
平面 A D E ADE A D E 内过 F F F 且垂直于棱 A D AD A D 的射线只有两条、互为反向:
平面角 θ \theta θ 用的是指向含 E E E 那一侧 的那条,∠ B F H \angle BFH ∠ B F H 用的是 F H FH F H 那条。
所以 ∠ B F H \angle BFH ∠ B F H 要么等于 θ \theta θ 、要么等于 π − θ \pi-\theta π − θ ;两种情形下都有
sin ∠ B F H = sin θ \sin\angle BFH=\sin\theta sin ∠ B F H = sin θ ,而 △ B H F \triangle BHF △ B H F 直角在 H H H ,于是 sin θ = B H B F \sin\theta=\dfrac{BH}{BF} sin θ = B F B H 。
这条公式只给到 sin \sin sin ,「锐角还是钝角」那一位信息它不给,末尾要专门算一次。
好处是 B H BH B H 是一个点到平面的距离 ,而点到平面的距离有等体积法这条不必找垂足的算法。
B F BF B F 与 B H BH B H
B F = 2 3 3 BF=\dfrac{2\sqrt3}{3} B F = 3 2 3 ,与解法一同一条(△ A B D \triangle ABD △ A B D 斜边上的高)。
B H BH B H 用同一个四面体 A B D E ABDE A B D E 换底算两次体积 :
以 △ B D E \triangle BDE △ B D E 为底、A A A 为顶。 ∠ B E D = 90 ∘ \angle BED=90^{\circ} ∠ B E D = 9 0 ∘ ,D E = E B = 1 DE=EB=1 D E = E B = 1 ,故
S △ B D E = 1 2 ⋅ 1 ⋅ 1 = 1 2 S_{\triangle BDE}=\frac12\cdot1\cdot1=\frac12 S △ B D E = 2 1 ⋅ 1 ⋅ 1 = 2 1 ;高就是 A C = 2 AC=\sqrt2 A C = 2 (因为 A C ⊥ AC\perp A C ⊥ 底面 B C D E BCDE B C D E ,
而 △ B D E \triangle BDE △ B D E 就在底面内)。
V = 1 3 ⋅ 1 2 ⋅ 2 = 2 6 . V=\frac13\cdot\frac12\cdot\sqrt2=\frac{\sqrt2}{6}. V = 3 1 ⋅ 2 1 ⋅ 2 = 6 2 .
以 △ A D E \triangle ADE △ A D E 为底、B B B 为顶。 由(Ⅰ)的推论 D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D ,△ A D E \triangle ADE △ A D E 直角在 D D D :
S △ A D E = 1 2 ⋅ A D ⋅ D E = 1 2 ⋅ 6 ⋅ 1 = 6 2 . S_{\triangle ADE}=\frac12\cdot AD\cdot DE=\frac12\cdot\sqrt6\cdot1=\frac{\sqrt6}{2}. S △ A D E = 2 1 ⋅ A D ⋅ D E = 2 1 ⋅ 6 ⋅ 1 = 2 6 .
两次体积相等:
B H = 3 V S △ A D E = 3 ⋅ 2 6 6 2 = 2 2 ⋅ 2 6 = 2 6 = 3 3 . BH=\frac{3V}{S_{\triangle ADE}}=\frac{3\cdot\frac{\sqrt2}{6}}{\frac{\sqrt6}{2}}
=\frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{2}{\sqrt6}=\frac{\sqrt2}{\sqrt6}=\frac{\sqrt3}{3}. B H = S △ A D E 3 V = 2 6 3 ⋅ 6 2 = 2 2 ⋅ 6 2 = 6 2 = 3 3 .
换底之所以省事,全靠两个现成的直角 :A C ⊥ AC\perp A C ⊥ 底面给了第一次的高,
D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D 给了第二次的底面积。两个都是前面白捡的。
收口,顺带把「锐角还是钝角」也算掉
sin θ = B H B F = 3 / 3 2 3 / 3 = 1 2 . \sin\theta=\frac{BH}{BF}=\frac{\sqrt3/3}{2\sqrt3/3}=\frac12 . sin θ = B F B H = 2 3 /3 3 /3 = 2 1 .
sin θ = 1 2 \sin\theta=\frac12 sin θ = 2 1 在 ( 0 , π ) (0,\pi) ( 0 , π ) 内给两个角,π 6 \frac{\pi}{6} 6 π 与 5 π 6 \frac{5\pi}{6} 6 5 π ,还要再判一次 。
先把要判的东西说准:F H ⃗ \vec{FH} F H 落在平面 A D E ADE A D E 内那条过 F F F 、垂直于 A D AD A D 的直线上,
这条直线与 D E DE D E 平行((Ⅰ)已给出 D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D )。它指向 E E E 那一侧还是反向,
正是待定的那一位信息 ——拿长度去比大小(「F H FH F H 比谁长」)对方向零信息量,判不出来。
判它只要算一个内积。H B ⃗ ⊥ \vec{HB}\perp H B ⊥ 平面 A D E ADE A D E ,D E ⃗ \vec{DE} D E 在这个平面内,故 H B ⃗ ⋅ D E ⃗ = 0 \vec{HB}\cdot\vec{DE}=0 H B ⋅ D E = 0 ,
F H ⃗ ⋅ D E ⃗ = ( F B ⃗ − H B ⃗ ) ⋅ D E ⃗ = F B ⃗ ⋅ D E ⃗ . \vec{FH}\cdot\vec{DE}=\bigl(\vec{FB}-\vec{HB}\bigr)\cdot\vec{DE}=\vec{FB}\cdot\vec{DE}. F H ⋅ D E = ( F B − H B ) ⋅ D E = F B ⋅ D E .
再把 F B ⃗ \vec{FB} F B 拆回 D D D :F B ⃗ = D B ⃗ − D F ⃗ \vec{FB}=\vec{DB}-\vec{DF} F B = D B − D F ,其中 D F ⃗ \vec{DF} D F 与 D A ⃗ \vec{DA} D A 共线,
而(Ⅰ)给的 D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D 就是 D A ⃗ ⋅ D E ⃗ = 0 \vec{DA}\cdot\vec{DE}=0 D A ⋅ D E = 0 ,所以 D F ⃗ ⋅ D E ⃗ = 0 \vec{DF}\cdot\vec{DE}=0 D F ⋅ D E = 0 。于是
F H ⃗ ⋅ D E ⃗ = D B ⃗ ⋅ D E ⃗ = ( D E ⃗ + E B ⃗ ) ⋅ D E ⃗ = ∣ D E ⃗ ∣ 2 = 1 > 0 , \vec{FH}\cdot\vec{DE}=\vec{DB}\cdot\vec{DE}=\bigl(\vec{DE}+\vec{EB}\bigr)\cdot\vec{DE}=\bigl|\vec{DE}\bigr|^{2}=1>0, F H ⋅ D E = D B ⋅ D E = ( D E + E B ) ⋅ D E = D E 2 = 1 > 0 ,
最后一步用的是题面的 ∠ B E D = 90 ∘ \angle BED=90^{\circ} ∠ B E D = 9 0 ∘ ,即 E B ⃗ ⊥ D E ⃗ \vec{EB}\perp\vec{DE} E B ⊥ D E 。
内积为正就是「同向」 :H H H 在含 E E E 的那一侧,∠ B F H \angle BFH ∠ B F H 就是 θ \theta θ 本身,θ \theta θ 是锐角。
顺带把 F H FH F H 白拿了:D E ⃗ \vec{DE} D E 是单位向量、F H ⃗ \vec{FH} F H 与它同向,故 F H = F H ⃗ ⋅ D E ⃗ = 1 FH=\vec{FH}\cdot\vec{DE}=1 F H = F H ⋅ D E = 1 。
它与 R t △ B H F \mathrm{Rt}\triangle BHF Rt △ B H F 里的 F H = B F 2 − B H 2 = 4 3 − 1 3 = 1 FH=\sqrt{BF^{2}-BH^{2}}=\sqrt{\frac43-\frac13}=1 F H = B F 2 − B H 2 = 3 4 − 3 1 = 1 对得上,
可以当一次自检。于是
cos θ = F H B F = 1 2 3 / 3 = 3 2 ⟹ θ = π 6 \cos\theta=\frac{FH}{BF}=\frac{1}{2\sqrt3/3}=\frac{\sqrt3}{2}
\ \Longrightarrow\ \boxed{\,\theta=\frac{\pi}{6}\,} cos θ = B F F H = 2 3 /3 1 = 2 3 ⟹ θ = 6 π
三条路摆在一起
怎么求第(Ⅱ)问 要不要作辅助线 「锐角还是钝角」怎么定 主要计算量 解法一 按定义造出 ∠ B F G \angle BFG ∠ B F G 要(B F BF B F 、F G FG F G 、B G BG B G 三条) 余弦定理 直接给出 cos θ > 0 \cos\theta>0 cos θ > 0 ,不必另判三次余弦定理 解法二 两个平面的法向量 不要 法向量只给到互补两支,必须另算一次 两个二元方程组 解法三 sin θ = B H B F \sin\theta=\frac{BH}{BF} sin θ = B F B H ,B H BH B H 用等体积只要 B F BF B F 一条 sin θ \sin\theta sin θ 也给到两支,用 F H ⃗ ⋅ D E ⃗ > 0 \vec{FH}\cdot\vec{DE}>0 F H ⋅ D E > 0 定两次体积 + 一次内积
三条路的共同前半段是同一件事 :把 A C ⊥ AC\perp A C ⊥ 平面 B C D E BCDE B C D E 立起来。
立不起来,三条路一条都走不通;立起来之后,剩下的只是选一种记账方式。
避坑
把「平面 A B C ⊥ ABC\perp A B C ⊥ 平面 B C D E BCDE B C D E 」直接读成「A B ⊥ AB\perp A B ⊥ 底面」或「A C ⊥ AC\perp A C ⊥ 底面」 。
面面垂直只对垂直于交线 的那些线成立。本题必须先用
A C 2 + B C 2 = A B 2 AC^{2}+BC^{2}=AB^{2} A C 2 + B C 2 = A B 2 算出 A C ⊥ B C AC\perp BC A C ⊥ B C ,性质定理才用得上。
平面角只验了一条射线垂直于棱 。∠ B F G \angle BFG ∠ B F G 成立要 B F ⊥ A D BF\perp AD B F ⊥ A D 且 F G ⊥ A D FG\perp AD F G ⊥ A D ,
后者靠的是(Ⅰ)证出的 D E ⊥ A D DE\perp AD D E ⊥ A D 加平行传递,不能省。
用法向量算完直接报角 。∣ cos ⟨ m , n ⟩ ∣ \left|\cos\langle\boldsymbol m,\boldsymbol n\rangle\right| ∣ cos ⟨ m , n ⟩ ∣
只定到互补的两支,「看图是锐角」不是依据;本文给了一个纯计算的判法。
sin θ = 1 2 \sin\theta=\frac12 sin θ = 2 1 只写 π 6 \frac{\pi}{6} 6 π 。二面角 的范围是 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] ,
正弦值在这个范围里对应两个角,同样要再判一次。
线面垂直的判定漏说「相交」 。D E ⊥ D C DE\perp DC D E ⊥ D C 、D E ⊥ A C DE\perp AC D E ⊥ A C 之外,
还必须写明 D C ∩ A C = C DC\cap AC=C D C ∩ A C = C ——两条平行线撑不起一个平面。
原卷的两处笔误 (「与 A B AB A B 交于点 G G G 」应为交于 A E AE A E ;「B C = 2 3 BC=\frac23 B C = 3 2 」应为 B G = 2 3 BG=\frac23 B G = 3 2 )
与方法 2 里印错的法向量 ( 0 , − 1 , 2 ) (0,-1,\sqrt2) ( 0 , − 1 , 2 ) :照抄会推不下去。这三处在正文里都已指出,
最终答案 π 6 \frac{\pi}{6} 6 π 不受影响。