专题11 空间向量与立体几何（公式、定理、结论图表）-备战2024年新高考数学必背知识手册

这是一份专题11 空间向量与立体几何（公式、定理、结论图表）-备战2024年新高考数学必背知识手册，共17页。试卷主要包含了空间向量基本概念，空间向量的线性运算，共线、共面向量基本定理，空间向量的数量积，空间向量基本定理，基底与正交分解，空间直角坐标系，空间向量的坐标等内容，欢迎下载使用。

 空间向量与立体几何（公式、定理、结论图表）



1.空间向量基本概念
空间向量：在空间,我们把具有大小和方向的量叫作空间向量.
长度（模）：空间向量的大小叫作空间向量的长度或模,记为或.
零向量：长度为0的向量叫作零向量,记为.
单位向量：模为1的向量叫作单位向量.
相反向量：与向量长度相等而方向相反的向量,叫作的相反向量,记为.
共线向量（平行向量）：如果表示若干空间向量的有向线段所在的直线互相平行或重合,那么这些向量叫作共线向量或平行向量.规定:零向量与任意向量平行.
相等向量：方向相同且模相等的向量叫作相等向量.
2.空间向量的线性运算
空间向量的线性运算包括加法、减法和数乘,其定义、画法、运算律等均与平面向量相同.
3.共线、共面向量基本定理
（1）直线的方向向量：在直线上取非零向量,与向量平行的非零向量称为直线的方向向量.
（2）共线向量基本定理：
对任意两个空间向量（）， 的充要条件是存在实数，使.
（3）共面向量：
如果表示向量的有向线段所在的直线与直线平行或重合,那么称向量平行于直线.
如果直线平行于平面或在平面内,那么称向量平行于平面.
平行于同一个平面的向量,叫作共面向量.
（4）共面向量基本定理:如果两个向量 ,不共线,那么向量与向量,共面的充要条件是存在唯一的有序实数对,使.
4.空间向量的数量积
（1）向量的夹角：已知两个非零向量,,在空间任取一点,作,则叫作向量,的夹角,记作.如果,那么向量互相垂直,记作.
（2）数量积定义：已知两个非零向量,则叫作的数量积,记作.
即 .
（3）数量积的性质：
.
（4）空间向量的数量积满足如下的运算律：
(交换律): （分配律).
推论：， .
（5）向量的投影向量：
向量在向量上的投影向量：
向量在平面内的投影向量与向量的夹角就是向量所在直线与平面所成的角.
5.空间向量基本定理
如果三个向量不共面，那么对空间任意一个空间向量.存在唯一的有序实数组.使得
.
6.基底与正交分解
(1)基底:如果三个向量不共面,那么我们把叫作空间的一个基底,都叫作基向量.
(2)正交分解:
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.那么这个基底叫作单位正交基底，常用表示.把一个空间向量分解为三个两两垂直的向量,叫作把空间向量进行正交分解.
7.空间直角坐标系
在空间选定点和一个单位正交基底 .
以点为原点，分别以的方向为正方向、以它们的长为单位长度建立三条数轴:轴.轴、轴,它们都叫作坐标轴.这时我们就建立了一个空间直角坐标系,叫作原点，都叫作坐标向量,通过每两个坐标轴的平面叫作坐标平面.
空间直角坐标系通常使用的都是右手直角坐标系.
8.空间向量的坐标
在空间直角坐标系中为坐标向量.给定任一向量,存在唯一的有序实数组,使.有序实数组叫作向量在空间直角坐标系中的坐标.记作.也叫点在空间直角坐标系中的坐标.记作.
9.空间向量运算的坐标表示
设，则：
（1），
（2），
（3）.
10.空间向量平行、垂直、模长、夹角的坐标表示
（1），
（2） ，
（3） ，
（4） .
11.空间两点间的距离公式
设，则 .
12.平面的法向量：直线，取直线的方向向量，称为平面的法向量.
13.空间中直线、平面的平行
（1）线线平行:若分别为直线的方向向量,则使得 .
（2）线面平行:设直线的方向向量,是平面的法向量,，则 .
法2:在平面内取一个非零向量,若存在实数,使得,且，则.
法3:在平面内取两个不共线向量,若存在实数，使得,且,则
（3）面面平行:设分别是平面的法向量，则，使得.
14. 空间中直线、平面的垂直
（1）线线垂直:若分别为直线的方向向量,则.
（2）线面垂直: 设直线的方向向量, 是平面的法向量,则，使得.
法2: 在平面内取两个不共线向量,若.则.
（3）面面垂直: 设分别是平面的法向量，则.
15.用空间向量研究距离、夹角问题
（1）点到直线的距离：已知是直线上任意两点, 是外一点，，则点到直线的距离为.
(2)求点到平面的距离
已知平面的法向量为 , 是平面内的任一点，是平面外一点,过点作则平面的垂线，交平面于点,则点到平面的距离为.
（3）直线与直线的夹角
若分别为直线的方向向量，为直线的夹角，则.
(4)直线与平面的夹角
设是直线的方向向量,是平面的法向量,直线与平面的夹角为.则.
（5）平面与平面的夹角
平面与平面的夹角：两个平面相交形成四个二面角,我们把这四个二面角中不大于的二面角称为这两个平面的夹角.
若分别为平面的法向量，为平面的夹角，则.
<解题方法与技巧>
1．空间向量加法、减法运算的两个技巧
(1)巧用相反向量：向量减法的三角形法则是解决空间向量加法、减法的关键，灵活运用相反向量可使向量首尾相接．
(2)巧用平移：利用三角形法则和平行四边形法则进行向量加、减法运算时，务必注意和向量、差向量的方向，必要时可采用空间向量的自由平移获得运算结果．
2．利用数乘运算进行向量表示的技巧
(1)数形结合：利用数乘运算解题时，要结合具体图形，利用三角形法则、平行四边形法则，将目标向量转化为已知向量．
(2)明确目标：在化简过程中要有目标意识，巧妙运用中点性质．
3.在几何体中求空间向量的数量积的步骤
(1)首先将各向量分解成已知模和夹角的向量的组合形式.
(2)利用向量的运算律将数量积展开，转化成已知模和夹角的向量的数量积.
(3)根据向量的方向，正确求出向量的夹角及向量的模.
(4)代入公式a·b＝|a||b|cos〈a，b〉求解.
4.利用空间向量证明或求解立体几何问题时，首先要选择基底或建立空间直角坐标系转化为其坐标运算，再借助于向量的有关性质求解(证).
5.求点到平面的距离的四步骤

6.用坐标法求异面直线所成角的一般步骤
(1)建立空间直角坐标系；
(2)分别求出两条异面直线的方向向量的坐标；
(3)利用向量的夹角公式计算两条直线的方向向量的夹角；
(4)结合异面直线所成角的范围求出异面直线所成的角．
7.利用向量法求两平面夹角的步骤
(1)建立空间直角坐标系；
(2)分别求出二面角的两个半平面所在平面的法向量；
(3)求两个法向量的夹角；
(4)法向量夹角或其补角就是两平面的夹角(不大于90°的角)
典例1：多选题
（2023·全国·高三专题练习）在正三棱柱中，，点满足，其中，，则（    ）
A．当时，的周长为定值
B．当时，三棱锥的体积为定值
C．当时，有且仅有一个点，使得
D．当时，有且仅有一个点，使得平面
【答案】BD
【分析】对于A，由于等价向量关系，联系到一个三角形内，进而确定点的坐标；
对于B，将点的运动轨迹考虑到一个三角形内，确定路线，进而考虑体积是否为定值；
对于C，考虑借助向量的平移将点轨迹确定，进而考虑建立合适的直角坐标系来求解点的个数；
对于D，考虑借助向量的平移将点轨迹确定，进而考虑建立合适的直角坐标系来求解点的个数．
【详解】
易知，点在矩形内部（含边界）．
对于A，当时，，即此时线段，周长不是定值，故A错误；
对于B，当时，，故此时点轨迹为线段，而，平面，则有到平面的距离为定值，所以其体积为定值，故B正确．
对于C，当时，，取，中点分别为，，则，所以点轨迹为线段，不妨建系解决，建立空间直角坐标系如图，，，，则，，，所以或．故均满足，故C错误；
对于D，当时，，取，中点为．，所以点轨迹为线段．设，因为，所以，，所以，此时与重合，故D正确．
故选：BD．
【点睛】本题主要考查向量的等价替换，关键之处在于所求点的坐标放在三角形内．
典例2：如图，直三棱柱的体积为4，的面积为．

(1)求A到平面的距离；
(2)设D为的中点，，平面平面，求二面角的正弦值．
【答案】(1)
(2)

【分析】（1）由等体积法运算即可得解；
（2）由面面垂直的性质及判定可得平面，建立空间直角坐标系，利用空间向量法即可得解.
【详解】（1）在直三棱柱中，设点A到平面的距离为h，
则，
解得，
所以点A到平面的距离为；
（2）取的中点E,连接AE,如图，因为，所以,
又平面平面，平面平面，
且平面，所以平面，
在直三棱柱中，平面，
由平面，平面可得，，
又平面且相交，所以平面，
所以两两垂直，以B为原点，建立空间直角坐标系，如图，

由（1）得，所以，，所以，
则,所以的中点，
则，,
设平面的一个法向量，则，
可取，
设平面的一个法向量，则，
可取，
则，
所以二面角的正弦值为.
典例3：已知直三棱柱中，侧面为正方形，，E，F分别为和的中点，D为棱上的点．

（1）证明：；
（2）当为何值时，面与面所成的二面角的正弦值最小?
【答案】（1）证明见解析；（2）
【分析】（1）方法二：通过已知条件，确定三条互相垂直的直线，建立合适的空间直角坐标系，借助空间向量证明线线垂直；
（2）方法一：建立空间直角坐标系，利用空间向量求出二面角的平面角的余弦值最大，进而可以确定出答案；
【详解】（1）[方法一]：几何法
因为，所以．
又因为，，所以平面．又因为，构造正方体，如图所示，

过E作的平行线分别与交于其中点，连接，
因为E，F分别为和的中点，所以是BC的中点，
易证，则．
又因为，所以．
又因为，所以平面．
又因为平面，所以．
[方法二] 【最优解】：向量法
因为三棱柱是直三棱柱，底面，
，，，又，平面．所以两两垂直．
以为坐标原点，分别以所在直线为轴建立空间直角坐标系，如图．

，．
由题设（）．
因为，
所以，所以．
[方法三]：因为，，所以，故，，所以，所以．
（2）[方法一]【最优解】：向量法
设平面的法向量为，
因为，
所以，即．
令，则
因为平面的法向量为，
设平面与平面的二面角的平面角为，
则．
当时，取最小值为，
此时取最大值为．
所以，此时．
[方法二] ：几何法
如图所示，延长交的延长线于点S，联结交于点T，则平面平面．

作，垂足为H，因为平面，联结，则为平面与平面所成二面角的平面角．
设，过作交于点G．
由得．
又，即，所以．
又，即，所以．
所以．
则，
所以，当时，．
[方法三]：投影法
如图，联结，

在平面的投影为，记面与面所成的二面角的平面角为，则．
设，在中，．
在中，，过D作的平行线交于点Q．
在中，．
在中，由余弦定理得，，，
，，
当，即，面与面所成的二面角的正弦值最小，最小值为．
【整体点评】第一问，方法一为常规方法，不过这道题常规方法较为复杂，方法二建立合适的空间直角坐标系，借助空间向量求解是最简单，也是最优解；方法三利用空间向量加减法则及数量积的定义运算进行证明不常用，不过这道题用这种方法过程也很简单，可以开拓学生的思维.
第二问：方法一建立空间直角坐标系，利用空间向量求出二面角的平面角是最常规的方法，也是最优方法；方法二：利用空间线面关系找到，面与面所成的二面角，并求出其正弦值的最小值，不是很容易找到；方法三：利用面在面上的投影三角形的面积与面积之比即为面与面所成的二面角的余弦值，求出余弦值的最小值，进而求出二面角的正弦值最小，非常好的方法，开阔学生的思维．
典例4：如图，四面体中，，E为的中点．

(1)证明：平面平面；
(2)设，点F在上，当的面积最小时，求与平面所成的角的正弦值．
【答案】(1)证明过程见解析
(2)与平面所成的角的正弦值为

【分析】（1）根据已知关系证明，得到，结合等腰三角形三线合一得到垂直关系，结合面面垂直的判定定理即可证明；
（2）根据勾股定理逆用得到，从而建立空间直角坐标系，结合线面角的运算法则进行计算即可.
【详解】（1）因为，E为的中点，所以；
在和中，因为，
所以，所以，又因为E为的中点，所以；
又因为平面，，所以平面，
因为平面，所以平面平面.
（2）连接，由（1）知，平面，因为平面，
所以，所以，
当时，最小，即的面积最小.
因为，所以，
又因为，所以是等边三角形，
因为E为的中点，所以，，
因为，所以,
在中，，所以.
以为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系，
则，所以，
设平面的一个法向量为，
则，取，则，
又因为，所以，
所以，
设与平面所成的角的正弦值为，
所以，
所以与平面所成的角的正弦值为.