向量投影的妙用_投影原理在立几证明中的妙用

时间:2019-01-18 来源:东星资源网 本文已影响 手机版

  在解答立体几何题的时候,有时需要添作必要的辅助线.例如,在“线线平行”?“线面平行”时,首先要在平面内得到一条直线与平面外的已知直线平行,这里的关键就是如何添作平面内的这条辅助线.笔者发现,很多学生碰到这类问题会茫然无措,无奈之下只能乱画乱连,解题纯粹靠运气.
  根据教材(苏教版《数学》必修2第11页至第12页),投影是光线(投射线)通过物体,向选定的面(投射面)投射,并在该面上得到图形的方法.按照投射线的不同,投影可以分为两类:
  第一类:投射线互相平行的投影称为平行投影(图1);
  第二类:投射线交于一点的投影称为中心投影(图2).
  图1 图2
  根据平行投影和中心投影的定义,我们可以得出两条投影原理:
  投影原理1 (如图1)如果投射线AA′
  ??? BB′,那么AB∥A′B′;
  投影原理2 (如图2)如果投射线满足SASA′=SBSB′,那么AB∥A′B′.
  上面两个原理利用平行四边形和三角形相似不难证出,而这里A′B′正是证明AB和投影面平行所要添作的辅助线.
  例1 如图3,在棱长为a的正方体ABCD?A?1B?1C?1D?1中,M,N分别为A?1B和AC上的点,且A?1M=AN=23a,求证:MN∥平面BB?1C?1C.
  思路1(图3):选择平行投影中的正投影(如果投影线和投影面垂直,则称该投影为正投影),M、N点在平面BB?1C?1C上的正投影分别为E、F点(E在BB?1上,且满足BEBB?1=23,F点在BC上,且CFCB=23).
  ∵ME
  ??? 23A?1B?1,NF
  ??? 23AB,又AB
  ??? A?1B?1
  ∴ME
  ??? NF
  故四边形为平行四边形(实际上是矩形),所以MN∥EF
  又∵EF?平面BB?1C?1C,MN?平面BB?1C?1C
  ∴MN∥平面BB?1C?1C.
  图3
  图4
  思路2(图4):选择平行投影中的斜投影(如果投影线和投影面不垂直,则称该投影为斜投影),N点在平面BB?1C?1C上的斜投影为C点,接着考虑M点在平面BB?1C?1C的斜投影E点如何确定.注意到要使得ME
  ??? NC,只要有ME
  ??? 23AC,又AC
  ??? A?1C?1,故只要使得ME
  ??? 23A?1C?1.为此,只需连接BC?1,在BC?1上取点E,使得BEBC?1=23,这样就有BEBC?1=BMBA?1=23,从而有ME
  ??? NC.则M点在平面BB?1C?1C上的斜投影为E点,MN在平面BB?1C?1C上的斜投影为EC,以下证明同思路1.
  思路3(图5):考虑中心投影.选择A点为投影中心,N点在平面BB?1C?1C上的投影点为C,接着考虑M点在平面BB?1C?1C上的投影G点如何确定.注意到要使得AMAG=ANAC=13.为此,连接AM,并延长交BB?1(平面AA?1B?1B与平面BB?1C?1C的交线)于点G,这样就有AMMG=A?1MMB=12,从而有AMAG=A?1MA?1B=ANAC=13,故而MN在平面BB?1C?1C上的投影为GC,以下证明略.
  图5
  图6
  思路4(图6):因为平面BB?1C?1C∥平面AA?1D?1D,所以要证MN∥平面BB?1C?1C就只要证MN∥平面AA?1D?1D.选择B点为投影中心,将MN向平面AA?1D?1D投影.M点在平面AA?1D?1D上的投影为A?1点,再考虑N点在平面AA?1D?1D上的投影H点如何确定.注意到要使.注意到要使BNBH=BMBA?1=23为此,延长BN与AD交于H点,则N点在平面AA?1D?1D上的投影为H点,MN在平面AA?1D?1D的投影为A?1H,以下证明略.
  在运用投影原理添作辅助线时,还有一种“截景”(可以设想在人眼和景物之间插入一张玻璃平板,当一只眼睛向景物发出投射线时,由投射线和玻璃平板的交点所形成的点集叫做“截景”)的情况(苏教版《数学》必修2第17页阅读材料有相关介绍),有些问题的辅助线就可以用“截景”来获得.
  
  例2 如图7,在三棱柱ABC?A?1B?1C?1中,点D是AB中点.求证:BC?1∥平面A?1DC.
  图7
  分析:猜想在平面A?1DC中能得到一条直线与BC?1平行.选择A点为投影中心,AB、AC?1为投射线.AB与平面A?1DC相交于D点,AC?1与A?1C相交于E点,A?1C?平面A?1DC,故DE就是BC?1在平面A?1DC上的“截景”,也就是要添作的辅助线.
  
  除了证明“线面平行”外,投影原理在证明“线面垂直”或“面面垂直”问题添作辅助线时也能发挥意想不到的作用.
  例3 如图8①,长方形中ABCD中,AB=a,把它折成正三棱柱的侧面(如图8②),使AD与BC重合,长方形的对角线AC与折痕EF、GH分别交于M、N.求证:平面DMN⊥平面ADFE.
  图8①
  图8②
  
  分析:根据“面面垂直”判定定理,猜想在平面DMN内能有一条直线与侧面ADEF垂直,“一步到位”添作这条辅助线有难度,所以我们分步实施.首先很容易在上底面AEG内作出GP⊥平面ADFE(其中P为AE中点),然后考虑将GP平行投影到平面DMN上去.G点在平面DMN上的斜投影是N点,再考虑P点在平面DMN上的斜投影Q点如何确定.注意到要使PQ
  ??? GN,为此取DM中点为Q点.这样就有PQ∥AD∥GN,且PQ=12(AD+EM)=12(a+a3)=23a=GN.则P点在平面DMN上的斜投影为Q点,GP在平面DMN上的投影为NQ,也就是要作的辅助线.
  当然,本题还有其他投影方法,而且除了用“线线平行”以外,还有其他证法,这里不一一列举了.?
  (上接第80页)
  解析:定性估计,h?4半高,h?1,h?2,h?3都比半高高,且h?2最高.
  解答选择题既要看到常规题的解题思想,但更应该充分挖掘题目的“个性”,充分利用选择支的暗示作用,迅速地作出正确的选择.这样不但可以迅速、准确地获取正确答案,还可以提高解题速度,为后续解题节省时间.
  从考试的角度来看,解选择题只要选对就行,不论用什么“策略”或“手段”,但平时做题时要尽量弄清每一个选择支正确的理由与错误的原因.另外,在解答一道选择题时,往往需要同时采用几种方法进行分析、推理,只有这样,才会在高考时充分利用题目自身提供的信息,化常规为特殊,避免“小题大作”,真正做到准确和快速.

标签:妙用 投影 原理 证明