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空间位置关系与平行
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空间证明要区分“图上看起来平行”与可用公理定理推出的平行。两个平面中的直线即使不相交,也可能是异面。
点、直线、平面与基本事实
空间几何以点、直线、平面为基本对象。点用 等表示,直线用 等表示,平面用 等表示。把直线、平面看成点集后, 表示点在直线上, 表示点在平面内, 表示直线的每一点都在平面内。
本节采用下列欧氏空间的基本事实,不把它们当作需要由后文结论证明的定理。
- 直线上的两个不同点都在平面内,则整条直线都在平面内。
- 两个不同平面有公共点时,其公共部分是一条经过这个点的直线。
- 三个不共线的点确定唯一的平面。
- 两条不同直线若平行于同一条直线,则它们互相平行。
“不同”和“不共线”保证结论中的唯一性。两个重合平面的公共部分是整个平面;三个共线点可以同时属于多个平面。
按公共点和共面性分类
| 对象 | 位置关系 | 含义 |
|---|---|---|
| 两条不同直线 | 相交 | 恰有一个公共点 |
| 两条不同直线 | 平行 | 共面且没有公共点 |
| 两条不同直线 | 异面 | 不存在同时包含它们的平面 |
| 直线与平面 | 在平面内 | 直线的所有点属于平面 |
| 直线与平面 | 相交 | 恰有一个公共点 |
| 直线与平面 | 平行 | 没有公共点 |
| 两个不同平面 | 相交 | 公共部分是一条直线 |
| 两个不同平面 | 平行 | 没有公共点 |
异面直线既不相交,也不平行。“直线在平面外”只表示直线不全在平面内,仍可能与平面相交。涉及重合对象时,须在这张表之外单独处理。
两直线相交于 可严格写成 ;两个平面相交于 写成 。若若干点、直线都包含在同一平面中,就称它们共面。
三种确定平面的方式
以下都是“不共线三点确定平面”的推论。
- 一条直线和线外一点。 在线上取两不同点,与线外一点构成不共线三点;确定的平面包含整条直线。
- 两条相交直线。 取交点及两直线上各一个非交点。这三点不共线,确定的平面同时包含两条直线。
- 两条不同的平行直线。 平行的定义先保证共面;在一条线上取两不同点,在另一条线上取一点,三点不共线,因此所在平面唯一。
这些判定用于证明共面时,需要说明选取的三点确实不共线;用于证明线在面内时,需要落实直线上的两个不同点。平行判定和交线性质见平行关系。
平行关系:判定与性质
线面平行的判定
若 ,,且 ,则 。
证明。 平行直线 确定一个平面 。因为 不在 内,;两平面的公共直线就是 。假设 与 有公共点 ,则 同时属于 ,从而 ,这与 矛盾。
从线面平行得到线线平行
(1) 若 ,,且 ,则 。
证明。 两线同在 内。若有交点,该点也在 内,与 矛盾;故两线平行。
(2) 若 同时平行于两个相交平面 ,且 ,则 。
证明。 任取 ,过 作 的平行线 。由 (1),一个过 的平面与 的交线必平行于 ,因而就是 ,所以 。对 同理,;因此 ,即 。
面面平行的判定
若平面 内有两条相交直线 都平行于平面 ,则 。
证明。 两平面不可能重合,否则 将在 内。若两平面交于 ,由线面平行性质, 且 ,于是 ,与相交矛盾。
一个常用的等价配置是:两不同平面内各有两条相交直线,而且对应直线分别平行。它们给出相同的两个独立方向,因此两平面平行。也可先用线面判定,把它化为前一条定理。
面面平行的性质
若 ,第三个平面 与它们分别交于 ,则 。因为 同在 内,若相交,交点就同时属于 ,与平行矛盾。
空间中两个角的对应边分别平行且方向相同时,两角相等;若仅一组边方向相反,两角互补。用这条等角性质平移异面直线后,取不超过 的夹角,便得到两条直线所成的角。
共面系数与动点存在性
设 不共线, 为任意参考点。若
则减去 得
因此 共面。这里结论中的四点包括 ,并不意味着参考点 也在该平面。反过来,共面点均能这样表示;三点不共线保证这组和为一的系数唯一。
若动点在线段 上,设 。点在平面内、线面平行、线线垂直等条件可分别写为
解出 后还要核对区间,并区分“方向平行于平面”与“直线严格在平面外”。例如 与平面 的延长线相交于 ,但线段上不存在这样的点。
例
长方体 中,,且 、 不在上底面内,因此 平行上底面。 与 为异面直线。
证明线面平行要写齐三个条件
在非退化三棱锥 中, 分别为 的中点。由三角形中位线定理,;又 ,且 不在该平面内,所以 。
最后一个条件不能省略。若一条直线就在平面内,它当然可以平行于该平面内的另一条直线,却不能称为与平面平行。证明面面平行时,还要找出同一平面内两条相交直线;两条互相平行的直线只提供一个方向,不足以确定平面的方向。
易错点
一条直线平行于平面内某条直线,还不能排除它本身在该平面内。两个平面各含一条平行直线,也不足以推出两平面平行。
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