空间平面法向量求法
一、法向量定义
定义:如果,那么向量叫做平面的法向量。平面的法向量共有两大类(从方向上分),无数条。
二、平面法向量的求法
1、内积法
在给定的空间直角坐标系中,设平面的法向量=(x,y,1)[或=(x,1,z)或=(1,y,z)],在平面内任找两个不共线的向量,。由,得·=0且·=0,由此得到关于x,y的方程组,解此方程组即可得到。
2、
任何一个x,y,z的一次方程的图形是平面;反之,任何一个平面的方程是x,y,z的一次方程。Ax+By+Cz+D=0(A,B,C不同时为0),称为平面的一般方程。其法向量=(A,B,C);若平面与3
个坐标轴的交点为P(a,0,0),P(0,b,0),P(0,0,c),则平面方程为:,称此方程为平面
的截距式方程,把它化为一般式即可求出它的法向量。
3、外积法
设,为空间中两个不平行的非零向量,其外积×为一长度等于||||sinθ,(θ为两者交角,且0<θ<π,而与,, 皆垂直的向量。通常我们采取“右手定则”,也就是右手四指由的方向转为的方向时,大拇指所指的方向规定为×的方向,×=-×。
设=(x1,y1,z1),=(x2,y2,z2),则×=
(注:1、二阶行列式:;2、适合右手定则。)
Code
public double[] GetTriangleFunction(ESRI.ArcGIS.Geometry.IPoint point1,
ESRI.ArcGIS.Geometry.IPoint point2, ESRI.ArcGIS.Geometry.IPoint point3)
{
try
{
double a = 0, b = 0,c=0; //方程参数
double x1 = 0, x2 = 0, x3 = 0, y1 = 0, y2 = 0, y3 = 0, z1 = 0, z2 = 0, z3 = 0; //各点坐标值
double[] returnValue = new double[3];
x1 = point1.X * 1000;
y1 = point1.Y * 1000;
z1 = point1.Z * 1000;
x2 = point2.X * 1000;
y2 = point2.Y * 1000;
z2 = point2.Z * 1000;
x3 = point3.X * 1000;
y3 = point3.Y * 1000;
z3 = point3.Z * 1000;
//向量I1
double[] I1 = new double[3];
I1[0] = x2 - x1;
I1[1] = y2 - y1;
I1[2] = z2 - z1;
//向量I2
double[] I2 = new double[3];
I2[0] = x3 - x1;
I2[1] = y3 - y1;
I2[2] = z3 - z1;
double X1 = I1[0];
double Y1 = I1[1];
double Z1 = I1[2];
double X2 = I2[0];
double Y2 = I2[1];
double Z2 = I2[2];
a = Y1 * Z2 - Y2 * Z1;
b = X2 * Z1 - X1 * Z2;
c = X1 * Y2 - X2 * Y1;
returnValue[0] = a;
returnValue[1] = b;
returnValue[2] = c;
return returnValue;
}
catch (Exception e)
{
throw e;
}
}
OPENGL里面就这样实现
void getNormal(GLfloat gx[3],GLfloat gy[3], GLfloat gz[3],GLfloat *ddnv) {
GLfloat w0,w1,w2,v0,v1,v2,nr,nx,ny,nz;
w0=gx[0]-gx[1]; w1=gy[0]-gy[1];w2=gz[0]-gz[1];
v0=gx[2]-gx[1]; v1=gy[2]-gy[1];v2=gz[2]-gz[1];
nx=(w1*v2-w2*v1);ny=(w2*v0-w0*v2);nz=(w0*v1-w1*v0);
nr=(GLfloat)sqrt(nx*nx+ny*ny+nz*nz); //向量单位化。
ddnv[0]=nx/nr; ddnv[1]=ny/nr;ddnv[2]=nz/nr;
}
利用空间向量求空间角 一、高考考纲要求: 能用向量方法解决异面直线的夹角、线面角、面面角问题.体会向量法在立体几何中的应用. 二、命题趋势: 在高考中,本部分知识是考查的重点内容之一,主要考查异面直线所成角、线面角、面面角的计算,属中档题,综合性较强,与平行垂直联系较多. 三、教学目标 知识与技能:能用向量法熟练解决异面直线的夹角、线面角、面面角的计算问题,了解向量法在研究立体几何问题中的应用; 过程与方法:通过向量这个载体,实现“几何问题代数化”的思想,进一步发展学生的空间想象能力和几何直观能力; 情感态度价值观:通过数形结合的思想和方法的应用,进一步让学生感受和体会空间直角坐标系,方向向量,法向量的魅力. 四、教学重难点 重点:用向量法求空间角——线线角、线面角、二面角; 难点:将立体几何问题转化为向量问题. 五、教学过程 (一)空间角公式 1、异面直线所成角公式:如图,设异面直线l ,m 的方向向量分别为a r ,b r ,异面直线l ,m
2、线面角公式:设直线l 为平面α的斜线,a r 为l 的方向向量,n r 为平面α的法向量,θ为 l 与α所成的角,则sin cos ,a n θ==r r a n a n ?r r r r . 3、面面角公式:设1n r ,2n r 分别为平面α、β的法向量,二面角为θ,则12,n n θ=r r 或 12,n n θπ=-r r (需要根据具体情况判断相等或互补) ,其中121212 cos ,n n n n n n ?=r r r r r r . α θ O n r a
(二)典例分析 如图,已知:在直角梯形OABC 中,//OA BC ,90AOC ∠=o ,SO ⊥面OABC ,且 1,2OS OC BC OA ====.求: (1)异面直线SA 和OB 所成的角的余弦值; (2)OS 与面SAB 所成角α的正弦值; (3)二面角B AS O --的余弦值. 解:如图建立空间直角坐标系,则(0,0,0)O , (2,0,0)A ,(1,1,0)B ,(0,1,0)C ,(0,0,1)S , 于是我们有(2,0,1)SA =-u u r ,(1,1,0)AB =-u u u r ,(1,1,0)OB =u u u r ,(0,0,1)OS =u u u r , (1)cos ,5SA OB SA OB SA OB ?== =u u r u u u r u u r u u u r u u r u u u r , 所以异面直线SA 和OB 所成的角的余弦值为5 . (2)设平面SAB 的法向量(,,)n x y z =r , 则0,0, n AB n SA ??=???=??r u u u r r u u r ,即0,20.x y x z -+=??-=? 取1x =,则1y =,2z =,所以(1,1,2)n =r , sin cos ,3OS n OS n OS n α?∴=== =u u u r r u u u r r u u u r r . (3)由(2)知平面SAB 的法向量1(1,1,2)n =u r , 又OC ⊥Q 平面AOS ,OC ∴u u u r 是平面AOS 的法向量, 令2(0,1,0)n OC ==u u r u u u r ,则有121212 cos ,n n n n n n ?== =u r u u r u r u u r u r u u r . ∴二面角B AS O --O A B C S
“ 量无论无论是 和具有规具有规律性。 时有时会显得特别探索空间平面法向量的求法与方向的判定 问题,都离不开平面的 成角 ” ” 距离 “ 问题,还是 杨玉春 (铜仁市第二中学,贵州铜仁 554300) 向量具有一套完整的运算体系,可以把几何图形的性质 转化为向量运算,变抽象的逻辑推理为具体的向量运算,实 现了“数”与“形”的结合。因此用量知识解决某些立体几 何问题,有时会显得特别简洁和具有规律性。但用向量无论 是解决“成角”问题,还是“距离”问题,都离不开平面的 法向量,可以说平面的法向量是用向量来解决立几问题的瓶 颈,平面法向量的正确求出是关键。而用向量来求二面角的 大小时,往往还需判断法向量的方向,是指向二面角内还是 指向二面角外。本文介绍空间平面法向量的求法与方向的判 定。 一、平面法向量的求法 1、几何法:如图(1),若λ⊥α,在λ上任取两点A、B, 则或即为平面α的一个法向量。 2、待定系数法(两种设法):
(1)设n=(1,λ,μ)或n=(λ,1,μ)或n=(λ, μ,1)是平面α的一个法向量。a ,b 是平面α内任一两个不共线向量,由 n ·a=0 n ·b=0求出λ,μ即可。 (2)或设n=(x ,y ,z )是平面a=0 ·b=0 得出关于x 、y 、z 的三元一次方程组的一个解即为平面α的一个法向量。 3、利用空间平面方程:Ax+By+Cz+D=0(其中:A 、B 、C 不同时为零),则n=(A ,B ,C )为平面的一个法向量。 4利用向量的向量积:如图(1),设a=(111,,x y z ),b=(223,,x y z ) 则a ×b= =( ,| |,|) =(122121121221,,y z y z x z x z x y x y ---) 取n=(a ×b )(λ∈R 且λ≠0)是平面α的法向量。 二、空间平面法向量方向的判定 1、由几何法求出的法向量,此时方向看图即可。 2、由向量的向量积求出的法向量,用“右手定则”可确定a ×b 的方向,取n=λ(a ×b),当>0时,则n 方向与向
利用空间向量求空间角考点与题型归纳 一、基础知识 1.异面直线所成角 设异面直线a ,b 所成的角为θ,则cos θ=|a ·b | |a ||b | ? , 其中a ,b 分别是直线a ,b 的方向 向量. 2.直线与平面所成角 如图所示,设l 为平面α的斜线,l ∩α=A ,a 为l 的方向向量,n 为平面α的法向量, φ为l 与α所成的角,则sin φ=|cos 〈a ,n 〉|=|a ·n | |a ||n | ? . 3.二面角 (1)若AB ,CD 分别是二面角α-l -β的两个平面内与棱l 垂直的异面直线,则二面角(或其补角)的大小就是向量AB ―→与CD ―→ 的夹角,如图(1). (2)平面α与β相交于直线l ,平面α的法向量为n 1,平面β的法向量为n 2,〈n 1,n 2〉=θ,则二面角α -l -β为θ或π-θ.设二面角大小为φ,则|cos φ|=|cos θ|= |n 1·n 2| |n 1||n 2| ? ,如图(2)(3). 两异面直线所成的角为锐角或直角,而不共线的向量的夹角为(0,π),所以公式中要加绝对值. 直线与平面所成角的范围为????0,π 2,而向量之间的夹角的范围为[0,π],所以公式中要加绝对值. 利用公式与二面角的平面角时,要注意〈n 1,n 2〉与二面角大小的关系,是相等还是互
补,需要结合图形进行判断. 二、常用结论 解空间角最值问题时往往会用到最小角定理 cos θ=cos θ1cos θ2. 如图,若OA 为平面α的一条斜线,O 为斜足,OB 为OA 在平面α内的射影,OC 为平面α内的一条直线,其中θ为OA 与OC 所成的角,θ1为OA 与OB 所成的角,即线面角,θ2为OB 与OC 所成的角,那么cos θ=cos θ1cos θ2. 考点一 异面直线所成的角 [典例精析] 如图,在三棱锥P -ABC 中,P A ⊥底面ABC ,∠BAC =90°.点D ,E ,N 分别为棱P A ,PC ,BC 的中点,M 是线段AD 的中点,P A =AC =4,AB =2. (1)求证:MN ∥平面BDE ; (2)已知点H 在棱P A 上,且直线NH 与直线BE 所成角的余弦值为7 21 ,求线段AH 的长. [解] 由题意知,AB ,AC ,AP 两两垂直,故以A 为原点,分别以AB ―→,AC ―→,AP ―→ 方向为x 轴、y 轴、z 轴正方向建立如图所示的空间直角坐标系.依题意可得A (0,0,0),B (2,0,0),C (0,4,0),P (0,0,4),D (0,0,2),E (0,2,2),M (0,0,1),N (1,2,0). (1)证明:DE ―→=(0,2,0),DB ―→ =(2,0,-2). 设n =(x ,y ,z )为平面BDE 的法向量, 则????? n ·DE ―→=0,n ·DB ―→=0, 即????? 2y =0,2x -2z =0. 不妨取z =1,可得n =(1,0,1).
第三讲:立体几何中的向量方法——利用空间向量求二面角的平面角 大家知道,立体几何是高中数学学习的一个难点,以往学生学习立体几何时,主要采取“形到形”的综合推理方法,即根据题设条件,将空间图形转化为平面图形,再由线线,线面等关系确定结果,这种方法没有一般规律可循,对人的智力形成极大的挑战,技巧性较强,致使大多数学生都感到束手无策。 高中新教材中,向量知识的引入,为学生解决立体几何问题提供了一个有效的工具。它能利用代数方法解决立体几何问题,体现了数形结合的思想。并且引入向量,对于某些立体几何问题提供通法,避免了传统立体几何中的技巧性问题,因此降低了学生学习的难度,减轻了学生学习的负担,体现了新课程理念。 为适应高中数学教材改革的需要,需要研究用向量法解决立体几何的各种问题。本文举例说明如何用向量法解决立体几何的空间角问题。以此强化向量的应用价值,激发学生学习向量的兴趣,从而达到提高学生解题能力的目的。 利用向量法求空间角,不需要繁杂的推理,只需要将几何问题转化为向量的代数运算,方便快捷。空间角主要包括线线角、线面角和二面角,下面对二面角的求法进行总结。 教学目标 1.使学生会求平面的法向量; 2.使学生学会求二面角的平面角的向量方法; 3.使学生能够应用向量方法解决一些简单的立体几何问题; 4.使学生的分析与推理能力和空间想象能力得到提高. 教学重点
求平面的法向量; 求解二面角的平面角的向量法. 教学难点 求解二面角的平面角的向量法. 教学过程 Ⅰ、复习回顾 一、回顾相关公式: 1、二面角的平面角:(范围:],0[πθ∈) 向量夹角的补角. 3、用空间向量解决立体几何问题的“三步曲”: (1)建立立体图形与空间向量的联系,用空间向量表示问题中涉及的点、直线、平面,把立体几何问题转化为向量问题;(化为向量问题) (2)通过向量运算,研究点、直线、平面之间的位置关系以及它们之间距离和夹角等问题;(进行向量运算) (3)把向量的运算结果“翻译”成相应的几何意义。(回到图形) Ⅱ、典例分析与练习 例1、如图,ABCD 是一直角梯形,?=∠90ABC ,⊥SA 面ABCD ,1===BC AB SA ,
状元堂一对一个性化辅导教案 教师张敏科目数学时间2013 年6 月4日 学生董洲年级高二学校德阳西校区授课内容空间法向量求法及其应用立体几何知识点与例题讲解 难度星级★★★★ 教学内容 上堂课知识回顾(教师安排): 1.平面向量的基本性质及计算方法 2.空间向量的基本性质及计算方法 本堂课教学重点: 1.掌握空间法向量的求法及其应用 2.掌握用空间向量求线线角,线面角,面面角及点面距 3.熟练灵活运用空间向量解决问题 得分:
平面法向量的求法及其应用 一、 平面的法向量 1、定义:如果α⊥→ a ,那么向量→ a 叫做平面α的法向量。平面α的法向量共有两大类(从方向上分),无数条。 2、平面法向量的求法 方法一(内积法):在给定的空间直角坐标系中,设平面α的法向量(,,1)n x y =[或(,1,)n x z =,或(1,,)n y z =],在平面α内任找两个不共线的向量,a b 。由n α⊥,得0n a ?=且0n b ?=,由此得到关于,x y 的方程组,解此方程组即可得到n 。 二、 平面法向量的应用 1、 求空间角 (1)、求线面角:如图2-1,设→ n 是平面α的法向量,AB 是平面α的一条斜线,α∈A ,则AB 与平面α所成的角为: 图2-1-1:.| |||arccos 2,2 →→→ →→ →??->= <-= AB n AB n AB n π π θ 图2-1-2:2| |||arccos 2,π π θ-??=->=<→ →→ → → → AB n AB n AB n (2)、求面面角:设向量→ m ,→ n 分别是平面α、β的法向量,则二面角βα--l 的平面角为: θ β α → m 图2-2 → n θ → m α 图2-3 → n β | ,cos |sin ><=→ →AB n θA B α 图2-1-2 θ C → n 图2-1-1 α θ B → n A C
高中数学空间向量之--平面法向量的求法及其应用 平面的法向量 仁定义:如果a _ :,那么向量a 叫做平面二的法向量。平面.:> 的法向量共有两大类(从方向上分) ,无 数条。 2、平面法向量的求法 斗 ■ 4 方法一(内积法):在给定的空间直角坐标系中, 设平面「的法向量n =(x,y,1)[或n =(x,1,z),或n =(1yZ ], 在平面:内任找两个不共线的向量 a,b 。由n _ :?,得n a = 0且n b = 0,由此得到关于 x, y 的方程组,解此 i 方程组即可得到n 。 方法二:任何一个 x, y, z 的一次次方程的图形是平面;反之,任何一个平面的方程是 Ax By Cz ^0 (代B,C 不同时为0),称为平面的一般方程。其法向量 n -(A, B,C);若平面与3个坐 标轴的交点为R(a,0,0), P 2(0,b,0), P 3(0,0, c),如图所示,则平面方程为?上 ]--1,称此方程为平面的截距 a b c 式方程,把它化为一般式即可求出它的法向量。 方法三(外积法):设 ,.为空间中两个不平行的非零向量,其外积 a b 为一长度等于|a||b|sinr , ( 9为 ..,.两者交角,且Ou :::二),而与..,.皆垂直的向量。通常我们采取「右手定则」,也就是右手四指由 .. 例 1、 已知,al(2,1,0),b'(-1,2,1), T T —f —f 试求(1): a^b ; (2): b 汉a. T T T T Key: (1) a b =(1,-2,5);⑵ b a =(-1,2,5) 例2、如图1-1,在棱长为2的正方体 ABCD -A 1B 1C 1D 1中, 7 T T T 的方向转为 匸的方向时,大拇指所指的方向规定为a b 的方向 ^( x i ,y i ,z i ),^(x 2, r 「 T T 丫2二2),则:a b = Z 2 X 1乙 X 2 Z 2 X 1 X 2 y 1 y 2 (注:1、二阶行列式 =ad —cb ; d 2、适合右手定 则。 x, y, z 的一次方程。
A B C D P Q 向量法求空间角 1.(本小题满分10分)在如图所示的多面体中,四边形ABCD 为正方形,四边形ADPQ 是直角梯形,DP AD ⊥,⊥CD 平面ADPQ ,DP AQ AB 2 1==. (1)求证:⊥PQ 平面DCQ ; (2)求平面BCQ 与平面ADPQ 所成的锐二面角的大小. 2.(满分13分)如图所示,正四棱锥P -ABCD 中,O 为底面正方形的中心,侧棱PA 与底面ABCD 所成的角的正切值为 2 6. (1)求侧面PAD 与底面ABCD 所成的二面角的大小; (2)若E 是PB 的中点,求异面直线PD 与AE 所成角的正切值; (3)问在棱AD 上是否存在一点F ,使EF ⊥侧面PBC ,若存在,试确定点F 的位置;若不存在,说明理由. B
3.(本小题只理科做,满分14分)如图,已知AB⊥平面ACD,DE//AB,△ACD是正三角形,AD=DE=2AB,且F是CD的中点. (1)求证:AF//平面BCE; (2)求证:平面BCE⊥平面CDE; (3)求平面BCE与平面ACD所成锐二面角的大小. P-中,PD⊥底面ABCD,且底面4.(本小题满分12分)如图,在四棱锥ABCD ABCD为正方形,G PD =分别为CB PC, ,的中点. = PD F ,2 E AD, , AP平面EFG; (1)求证:// (2)求平面GEF和平面DEF的夹角.
H P G F E D C B 5.如图,在直三棱柱111AB C A B C -中,平面1A BC ⊥ 侧面11A ABB 且12AA AB ==. (Ⅰ)求证:AB BC ⊥; (Ⅱ)若直线AC 与平面1A BC 所成的角为6 π,求锐二面角1A A C B --的大小. 6.如图,四边形ABCD 是正方形,EA ⊥平面ABCD ,EA PD ,2AD PD EA ==,F ,G , H 分别为PB ,EB ,PC 的中点. (1)求证:FG 平面PED ; (2)求平面FGH 与平面PBC 所成锐二面角的大小.
利用空间向量求空间角和距离 A 级——夯基保分练 1.如图所示,在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,已知M ,N 分别是BD 和AD 的中点,则B 1M 与D 1N 所成角的余弦值为( ) A.30 30 B .3015 C. 3010 D. 1515 解析:选C 建立如图所示的空间直角坐标系.设正方体的棱长为2,则B 1(2,2,2),M (1,1,0),D 1(0,0,2),N (1,0,0),∴B 1M ―→ =(-1,-1,-2),D 1N ―→ =(1,0,-2), ∴B 1M 与D 1N 所成角的余弦值为|B 1M ―→·D 1N ―→ | |B 1M ―→|·|D 1N ―→|= |-1+4|1+1+4×1+4=30 10 . 2.如图,已知长方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,AD =AA 1=1,AB =3,E 为线段AB 上一点,且AE =1 3AB ,则DC 1与平面D 1EC 所成角的 正弦值为( ) A.33535 B .277 C.33 D.24 解析:选A 如图,以D 为坐标原点,DA ,DC ,DD 1所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴建立空间直角坐标系,则C 1(0,3,1),D 1(0,0,1),E (1,1,0),C (0,3,0), ∴DC 1―→=(0,3,1),D 1E ―→=(1,1,-1),D 1C ―→ =(0,3,-1). 设平面D 1EC 的法向量为n =(x ,y ,z ), 则????? n ·D 1E ―→=0,n · D 1C ―→=0,即????? x +y -z =0,3y -z =0,取y =1,得n =(2,1,3). ∴cos DC 1―→,n =DC 1―→·n |DC 1―→|·|n| =33535, ∴DC 1与平面D 1EC 所成的角的正弦值为335 35 .
学习必备 欢迎下载 向量法求空间点到面距离(教案) 新课导入: 我们在路上行走时遇到障碍物一般会想到将障碍物挪开,那还有别的方法吗? 对!绕过去。在生活中我们都知道转弯,那么在学习上我们不妨也让思维转个弯,绕过难点 用另一种方法解决。 我们知道要想求空间一点到一个面的距离,就必须要先找到这个距离,而找这个距离恰恰是 一个比较难解决的问题,我们今天就让思维转个弯,用向量法解决这个难题。 一、复习引入: 1、 空间中如何求点到面距离? 方法1、直接做或找距离; 方法2、;等体积 方法3、空间向量。 2、向量数量积公式 a · b =a b cos θ(θ为a 与b 的夹角) 二、向量法求点到平面的距离 教材分析 重点: 点面距离的距离公式应用及解决问题的步骤 难点: 找到所需的点坐标跟面的法向量 教学目的 1. 能借助平面的法向量求点到面、线到面、面到面、异面直线间的距离。 2. 能将求线面距离、面面距离问题转化为求点到面的距离问题。 3. 加强坐标运算能力的培养,提高坐标运算的速度和准确性。
学习必备欢迎下载
学习必备 欢迎下载 若AB 是平面α的任一条斜线段,则在BOA Rt ? ABO COS ∠? ? 如果令平面的法向量为n ,考虑到法向量的方向,可以得到点B 到平面的距离为 BO 因此要求一个点到平面的距离,可以分为以下三步:(1)找出从该点出发的平面的任一 条斜线段对应的向量(2)求出该平面的一个法向量(3)求出法向量与斜线段对应的向量的 数量积的绝对值再除以法向量的模 思考、已知不共线的三点坐标,如何求经过这三点的平面的一个法向量? 例1、在空间直角坐标系中,已知(3,0,0),(0,4,0)A B ,(0,0,2)C ,试求平面ABC 的一个法向量. 解:设平面ABC 的一个法向量为(,,)n x y z = 则n AB n AC ⊥⊥,.∵(3,4,0)AB =-,(3,0,2)AC =- ∴(,,)(3,4,0)0(,,)(3,0,2)0x y z x y z ?-=???-=?即340320x y x z -+=??-+=? ∴3432y x z x ?=????=?? 取4x =,则(4,3,6)n = ∴(4,3,6)n =是平面ABC 的一个法向量. 例2、如图,已知正方形ABCD 的边长为4,E 、F 分别是AB 、AD 的中点,GC ⊥平面ABCD ,且GC =2,求点B 到平面EFG 的距离. 解:如图,建立空间直角坐标系C -xyz . 由题设C(0,0,0),A(4,4,0),B(0,4,0), D(4,0,0),E(2,4,0), F(4,2,0),G(0,0,2). (2,2,0),(2,4,2),B (2,0,0)EF EG E =-=--=设平面EFG 的一个法向量 为(,,)n x y z = 2202420 11(,,1)33 n EF n EG x y x y n ⊥⊥-=?∴?--+=?∴=,