2025年成才之路高中新课程学习指导高中数学选择性必修第一册北师大版
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已知正方体$ABCD - A_1B_1C_1D_1$棱长为$2$,$E$,$F$分别是$C_1C$,$D_1A_1$的中点,求点$A$到$EF$的距离.
答案:
对点训练2:以$D$点为原点,$DA,DC,DD_{1}$所在直线分别为$x$轴,$y$轴,$z$轴建立空间直角坐标系如图所示,
则$A(2,0,0),E(0,2,1),F(1,0,2)$,则$\overrightarrow{EF} = (1,-2,1),\overrightarrow{FA} = (1,0,-2)$.
$|\overrightarrow{EF}| = \sqrt{1^{2} + (-2)^{2} + 1^{2}} = \sqrt{6}$,
$|\overrightarrow{FA}| = \sqrt{1^{2} + 0^{2} + (-2)^{2}} = \sqrt{5}$,
$\overrightarrow{FA}·\overrightarrow{EF} = 1×1 + 0×(-2) + (-2)×1 = -1$,
$\overrightarrow{FA}$在$\overrightarrow{EF}$上的投影为$\frac{\overrightarrow{FA}·\overrightarrow{EF}}{|\overrightarrow{EF}|} = \frac{-1}{\sqrt{6}}$,
所以点$A$到$EF$的距离
$d = \sqrt{|\overrightarrow{FA}|^{2} - (\frac{-1}{\sqrt{6}})^{2}} = \sqrt{\frac{29}{6}} = \frac{\sqrt{174}}{6}$
对点训练2:以$D$点为原点,$DA,DC,DD_{1}$所在直线分别为$x$轴,$y$轴,$z$轴建立空间直角坐标系如图所示,
则$A(2,0,0),E(0,2,1),F(1,0,2)$,则$\overrightarrow{EF} = (1,-2,1),\overrightarrow{FA} = (1,0,-2)$.
$|\overrightarrow{EF}| = \sqrt{1^{2} + (-2)^{2} + 1^{2}} = \sqrt{6}$,
$|\overrightarrow{FA}| = \sqrt{1^{2} + 0^{2} + (-2)^{2}} = \sqrt{5}$,
$\overrightarrow{FA}·\overrightarrow{EF} = 1×1 + 0×(-2) + (-2)×1 = -1$,
$\overrightarrow{FA}$在$\overrightarrow{EF}$上的投影为$\frac{\overrightarrow{FA}·\overrightarrow{EF}}{|\overrightarrow{EF}|} = \frac{-1}{\sqrt{6}}$,
所以点$A$到$EF$的距离
$d = \sqrt{|\overrightarrow{FA}|^{2} - (\frac{-1}{\sqrt{6}})^{2}} = \sqrt{\frac{29}{6}} = \frac{\sqrt{174}}{6}$
例3. 如图,已知正方形$ABCD$的边长为$1$,$PD \perp$平面$ABCD$,且$PD = 1$,$E$,$F$分别为$AB$,$BC$的中点.
(1) 求点$D$到平面$PEF$的距离;
(2) 求直线$AC$到平面$PEF$的距离.

(1) 求点$D$到平面$PEF$的距离;
(2) 求直线$AC$到平面$PEF$的距离.
答案:
例3:
(1)建立如图所示的空间直角坐标系,则$D(0,0,0),P(0,0,1),A(1,0,0),C(0,1,0),E(\frac{1}{2},0),F(\frac{1}{2},1,0),\overrightarrow{DE}=(1,\frac{1}{2},0),\overrightarrow{DF}=(\frac{1}{2},1,0),\overrightarrow{DP}=(0,0,1)$
设$DH\perp$平面$PEF$,垂足为$H$,则
$\overrightarrow{DH}=x\overrightarrow{DE}+y\overrightarrow{DF}+z\overrightarrow{DP}=(x + \frac{1}{2}y,\frac{1}{2}x + y,z),(x + y + z = 1)$
$\overrightarrow{PE} = (1,\frac{1}{2},-1),\overrightarrow{PF} = (\frac{1}{2},1,-1)$
所以$\overrightarrow{DH}·\overrightarrow{PE} = x + \frac{1}{2}y + \frac{1}{2}(\frac{1}{2}x + y) - z = \frac{5}{4}x + y - z = 0$.
同理,$\overrightarrow{DH}·\overrightarrow{PF} = x + \frac{5}{4}y - z = 0$
又$x + y + z = 1$,所以解得$x = y = \frac{4}{17},z = \frac{9}{17}$
所以$\overrightarrow{DH} = \frac{3}{17}(2,2,3)$,所以$|\overrightarrow{DH}| = \frac{3\sqrt{17}}{17}$
因此,点$D$到平面$PEF$的距离为$\frac{3\sqrt{17}}{17}$
(2)连接$AC$,则$AC// EF$,直线$AC$到平面$PEF$的距离即为点$A$到平面$PEF$的距离,
平面$PEF$的一个法向量为$\boldsymbol{n} = (2,2,3),\overrightarrow{AE} = (0,\frac{1}{2},0)$
所求距离为$\frac{|\overrightarrow{AE}·\boldsymbol{n}|}{|\boldsymbol{n}|} = \frac{1}{\sqrt{17}} = \frac{\sqrt{17}}{17}$
例3:
(1)建立如图所示的空间直角坐标系,则$D(0,0,0),P(0,0,1),A(1,0,0),C(0,1,0),E(\frac{1}{2},0),F(\frac{1}{2},1,0),\overrightarrow{DE}=(1,\frac{1}{2},0),\overrightarrow{DF}=(\frac{1}{2},1,0),\overrightarrow{DP}=(0,0,1)$
设$DH\perp$平面$PEF$,垂足为$H$,则
$\overrightarrow{DH}=x\overrightarrow{DE}+y\overrightarrow{DF}+z\overrightarrow{DP}=(x + \frac{1}{2}y,\frac{1}{2}x + y,z),(x + y + z = 1)$
$\overrightarrow{PE} = (1,\frac{1}{2},-1),\overrightarrow{PF} = (\frac{1}{2},1,-1)$
所以$\overrightarrow{DH}·\overrightarrow{PE} = x + \frac{1}{2}y + \frac{1}{2}(\frac{1}{2}x + y) - z = \frac{5}{4}x + y - z = 0$.
同理,$\overrightarrow{DH}·\overrightarrow{PF} = x + \frac{5}{4}y - z = 0$
又$x + y + z = 1$,所以解得$x = y = \frac{4}{17},z = \frac{9}{17}$
所以$\overrightarrow{DH} = \frac{3}{17}(2,2,3)$,所以$|\overrightarrow{DH}| = \frac{3\sqrt{17}}{17}$
因此,点$D$到平面$PEF$的距离为$\frac{3\sqrt{17}}{17}$
(2)连接$AC$,则$AC// EF$,直线$AC$到平面$PEF$的距离即为点$A$到平面$PEF$的距离,
平面$PEF$的一个法向量为$\boldsymbol{n} = (2,2,3),\overrightarrow{AE} = (0,\frac{1}{2},0)$
所求距离为$\frac{|\overrightarrow{AE}·\boldsymbol{n}|}{|\boldsymbol{n}|} = \frac{1}{\sqrt{17}} = \frac{\sqrt{17}}{17}$
如图,已知正方体$ABCD - A_1B_1C_1D_1$的棱长为$a$,求点$A$到平面$A_1BD$的距离.

答案:
对点训练3:设点$A$到平面$A_{1}BD$的距离为$h$,则
$V_{B - AA_{1}D} = \frac{1}{3}× a×\frac{1}{2}× a× a = \frac{1}{6}a^{3}$
$V_{A - A_{1}BD} = \frac{1}{3}× h×\frac{\sqrt{3}}{4}×(\sqrt{2}a)^{2} = \frac{\sqrt{3}}{6}a^{2}h$
$\because V_{A - A_{1}BD} = V_{B - AA_{1}D}$,$\therefore h = \frac{\sqrt{3}}{3}a$
$\therefore$点$A$到平面$A_{1}BD$的距离为$\frac{\sqrt{3}}{3}a$
$V_{B - AA_{1}D} = \frac{1}{3}× a×\frac{1}{2}× a× a = \frac{1}{6}a^{3}$
$V_{A - A_{1}BD} = \frac{1}{3}× h×\frac{\sqrt{3}}{4}×(\sqrt{2}a)^{2} = \frac{\sqrt{3}}{6}a^{2}h$
$\because V_{A - A_{1}BD} = V_{B - AA_{1}D}$,$\therefore h = \frac{\sqrt{3}}{3}a$
$\therefore$点$A$到平面$A_{1}BD$的距离为$\frac{\sqrt{3}}{3}a$
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