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1.1空间向量及其运算
1.1.1空间向量及其线性运算
【考点梳理】
考点一 空间向量的概念
1.定义:在空间,具有大小和方向的量叫做空间向量.
2.长度或模:向量的大小.
3.表示方法:
①几何表示法:空间向量用有向线段表示;
②字母表示法:用字母a,b,c,…表示;若向量a的起点是A,终点是B,也可记作,其模记为|a|或||.
4.几类特殊的空间向量
名称 定义及表示
零向量 长度为0的向量叫做零向量,记为0
单位向量 模为1的向量称为单位向量
相反向量 与向量a长度相等而方向相反的向量,称为a的相反向量,记为 -a
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,那么这些向量叫做共线向量或平行向量.规定:对于任意向量a,都有0∥a
相等向量 方向相同且模相等的向量称为相等向量
考点二 空间向量的线性运算
空间向量的线性运算 加法 a+b=+ =
减法 a-b=-=
数乘 当λ>0时,λa=λ=;当λ<0时,λa=λ=;当λ=0时,λa=0
运算律 交换律:a+b=b+a;结合律:a+(b+c)=(a+b)+c,λ(μa)=(λμ)a;分配律:(λ+μ)a=λa+μa,λ(a+b)=λa+λb.
考点三 共线向量
1.空间两个向量共线的充要条件
对于空间任意两个向量a,b(b≠0),a∥b的充要条件是存在实数λ,使a=λb.
2.直线的方向向量
在直线l上取非零向量a,我们把与向量a平行的非零向量称为直线 l 的方向向量.
考点四 共面向量
1.共面向量
如图,如果表示向量a的有向线段所在的直线OA与直线l平行或重合,那么称向量a平行于直线l.如果直线OA平行于平面α或在平面α内,那么称向量a平行于平面α.平行于同一个平面的向量,叫做共面向量.
2.向量共面的充要条件
如果两个向量a,b不共线,那么向量p与向量a,b共面的充要条件是存在唯一的有序实数对(x,y),使p=xa+yb.
【题型归纳】
题型一:空间向量的概念
1.下列说法正确的是( )
A.经过空间中任意三点的平面有且仅有一个
B.如果一条直线垂直于平面中的无数条直线,那么该直线垂直于该平面
C.两个单位向量的长度相等
D.若两个单位向量平行,则这两个单位向量相等
2.下列说法正确的是( )
A.零向量没有方向
B.空间向量不可以平行移动
C.如果两个向量不相同,那么它们的长度不相等
D.同向且等长的有向线段表示同一向量
3.在平行六面体中,下列四对向量:①与;②与;③与;④与.其中互为相反向量的有n对,则n等于( )
A.1 B.2 C.3 D.4
题型二:空间向量的线性运算
4.如图,在斜棱柱中,AC与BD的交点为点M,,,,则( )
A. B.
C. D.
5.已知四棱锥,底面为平行四边形,M,N分别为棱BC,PD上的点,,,设,,,则向量用为基底表示为( )
A. B.
C. D.
6.如图所示,在平行六面体中,M为与的交点,若,,,则( )
A. B.
C. D.
题型三:空间两个向量共线的问题
7.若空间向量不共线,且,则xy=( )
A.1 B.2 C.4 D.6
8.满足下列条件,能说明空间不重合的A、B、C三点共线的是( )
A. B.
C. D.
9.已知空间的一组基底,若与共线,则的值为( ).
A.2 B. C.1 D.0
题型四:空间共面向量定理
10.已知,,,为空间中四点,任意三点不共线,且,若,,,四点共面,则的值为( )
A.0 B.1 C.2 D.3
11.对于空间的任意三个向量 ,它们一定是( )
A.共面向量 B.共线向量
C.不共面向量 D.既不共线也不共面的向量
12.对空间任一点O和不共线三点A B C,能得到P A B C四点共面的是( )
A. B.
C. D.以上都错
【双基达标】
13.如图,在正方体中,,,,若为的中点,在上,且,则等于( )
A. B.
C. D.
14.已知三棱锥O—ABC,点M,N分别为线段AB,OC的中点,且,,,用,,表示,则等于( )
A. B. C. D.
15.如图所示,在平行六面体中,,,,点是的中点,点是上的点,且,则向量可表示为( )
A. B.
C. D.
16.下列命题为真命题的是( )
A.若两个空间向量所在的直线是异面直线,则这两个向量不是共面向量
B.若,则 的长度相等且方向相同
C.若向量 满足,且与同向,则
D.若两个非零向量与满足,则.
17.如图,在平行六面体中,点M为与的交点,若,,,则下列向量中与相等的向量是( ).
A. B.
C. D.
18.平行六面体中,若则( )
A. B. C. D.
19.在长方体中,等于( )
A. B. C. D.
20.给出下列命题:①两个空间向量相等,则它们的起点相同,终点也相同;②若空间向量满足,则;③在正方体中,必有;④若空间向量满足,,则.其中正确的个数为( ).
A. B. C. D.
21.在平行六面体中,以顶点为向量的起点或终点,且与向量的模相等的向量有( ).
A.个 B.个 C.个 D.个
22.正六棱柱中,设,,,那么等于( )
A. B. C. D.
23.如图,在平行六面体中,为和的交点,若,,,则下列式子中与相等的是( )
A. B. C. D.
24.如图所示,在正方体中,下列各式中运算结果为向量的个数是( )
①; ②;
③; ④.
A.1 B.2 C.3 D.4
25.在长方体中,下列各式运算结果为的个数是( )
①;
②;
③;
④.
A.个 B.个 C.个 D.个
26.在以下命题中,真命题的是( ).
A.是、共线的充要条件
B.若,则存在唯一的实数,使
C.对空间任意一点O和不共线的三点A、B、C,若,则P、A、B、C四点共面
D.若、、是不共面的向量,则、、的线性组合可以表示空间中的所有向量
【高分突破】
一、单选题
27.有下列命题:
①若与平行,则与所在的直线平行;
②若与所在的直线是异面直线,则与一定不共面;
③若、、两两共面,则、、一定也共面;
④若与是平面上互不平行的向量,点,点,则与、一定不共面.
其中正确命题的个数为( )
A.0 B.1 C.2 D.3
28.下列说法正确的是( )
A.平面上的任意两个向量都共线
B.空间的任意三个向量都不共面
C.空间的任意两个向量都共面
D.空间的任意三个向量都共面
29.在下列命题中正确的是( )
A.已知是空间三个向量,则空间任意一个向量总可以唯一表示为
B.若所在的直线是异面直线,则不共面
C.若三个向量两两共面,则共面
D.已知A,B,C三点不共线,若,则A,B,C,D四点共面
30.若空间四点 共面且则的值为( )
A.1 B.2 C.3 D.6
31.在下列条件中,使与,,一定共面的是( )
A. B.
C. D.
32.下面关于空间向量的说法正确的是( )
A.若向量,平行,则,所在直线平行
B.若向量,所在直线是异面直线,则,不共面
C.若,,,四点不共面,则不共面
D.若,,,四点不共面,则不共面
33.在下列等式中,使点与点一定共面的是( )
A.
B.
C.
D.
二、多选题
34.如图正四棱柱,则下列向量相等的是( )
A.与 B.与
C.与 D.与
35.给出下列命题,其中正确的命题是( )
A.若,则或
B.若向量是向量的相反向量,则
C.在正方体中,
D.若空间向量,,满足,,则
36.如图,在平行六面体中,AC和BD的交点为O,设,,,则下列结论正确的是( )
A. B. C. D.
37.有下列四个命题,其中正确的命题有( )
A.已知A,B,C,D是空间任意四点,则
B.若两个非零向量与满足+=,则.
C.分别表示空间向量的有向线段所在的直线是异面直线,则这两个向量可以是共面向量.
D.对于空间的任意一点O和不共线的三点A,B,C,若 (x,y,z),则P,A,B,C四点共面.
38.已知三棱锥分别是的中点,为线段上一点,且,设,则下列等式成立的是( )
A. B.
C. D.
三、填空题
39.化简算式:______.
40.已知长方体,若为与的交点,则___________.
41.若、、、为空间不同的四点,则下列各式为零向量的序号是_______.
①;②;
③;④.
42.已知为正方体且,,,则______.
43.如图,,,,则______.
四、解答题
44.如图所示,在长方体中,E为棱上任意一点.只考虑以长方体的八个顶点及点E的两点为始点和终点的向量,分别写出:
(1)的相等向量,的负向量;
(2)用另外两个向量的和或差表示;
(3)用三个或三个以上向量的和表示(举两个例子).
45.在长方体中,是的中点.
(1)设,,,用向量、、表示;
(2)设,,,用向量、、表示.
46.如图,在平行六面体中,,,两两夹角为60°,长度分别为2,3,1,点在线段上,且,记,,.试用,,表示.
47.如图所示,在以长方体的八个顶点的两点为始点和终点的向量中.
(1)试写出与相等的所有向量;
(2)试写出的相反向量.
48.如图,在平行六面体中,,.
(1)求证:、、三点共线;
(2)若点是平行四边形的中心,求证:、、三点共线.
49.已知A B C三点不共线,O为平面ABC外一点.
(1)若,判断 三个向量是否共面,以及M是否在平面ABC上;
(2)若,判断M是否在平面ABC上;
(3)请给出空间某点在某一平面上的一个充要条件(不必证明).
50.如图所示,在平行六面体中,M、N分别是、BC的中点.设,,.
(1)已知P是的中点,用、、表示、、;
(2)已知P在线段上,且,用、、表示.
参考答案:
1.C
【解析】
【分析】
若三点共线,则知A错误;若该直线垂直的平面内的无数条直线互相平行,则知B错误;由单位向量模长为知C正确;由平行向量定义可知D错误.
【详解】
对于A,若三点共线,则过这三点的平面有无数个,A错误;
对于B,若一条直线垂直于平面中的无数条互相平行的直线,则该直线未必垂直于该平面,B错误;
对于C,所有单位向量的模长均为,C正确;
对于D,两个单位向量平行,则两个单位向量可能同向或反向,则可能两个向量为相等向量或相反向量,D错误.
故选:C.
2.D
【解析】
【分析】
根据零向量的规定可以确定A错误;根据空间向量是自由向量可以确定B;根据相等向量的定义可以确定C、D.
【详解】
对于A:零向量的方向是任意的,A错误;
对于B:空间向量是自由向量可以平移,B错误;
对于C、D:大小相等方向相同的两个向量为相等向量即同一向量,
所以C中向量大小可以相等,只要方向不同即为向量不同,C错误;D符合定义,正确.
故选:D.
3.B
【解析】
【分析】
根据平行六面体的几何特征和相反向量的定义即可判断.
【详解】
对于①与,长度相等,方向相反,互为相反向量;
对于②与长度相等,但两向量不共线,∴两向量不是相反向量;
对于③与,易知是平行四边形,则两向量方向相反,大小相等,互为相反向量;
对于④与,易知是平行四边形,∴这两向量长度相等,方向相同.
故互为相反向量的是①③,共有2对,n=2.
故选:B.
4.A
【解析】
【分析】
根据空间向量的线性运算用表示出即可得.
【详解】
-=,
.
故选:A.
5.D
【解析】
【分析】
由图形可得,根据比例关系可得,,再根据向量减法,代入整理并代换为基底向量.
【详解】
即
故选:D.
6.D
【解析】
【分析】
根据空间向量的运算法则和空间向量基本定理相关知识求解即可.
【详解】
由题意得,.
故选:D
7.D
【解析】
【分析】
由题可知左右两边系数对应相等即可求出x和y.
【详解】
因为空间向量不共线,
要使,
则.
故选:D.
8.C
【解析】
【分析】
由题意逐一考查所给的说法是否正确即可.
【详解】
对于空间中的任意向量,都有 ,说法A错误;
若,则,而,据此可知,即两点重合,选项B错误;
,则A、B、C三点共线,选项C正确;
,则线段的长度与线段的长度相等,不一定有A、B、C三点共线,选项D错误;
本题选择C选项.
【点睛】
本题主要考查空间向量的运算法则,三点共线的充分必要条件等知识,意在考查学生的转化能力和计算求解能力.
9.D
【解析】
【分析】
根据与共线,由,即可求解.
【详解】
因为与共线,空间的一组基底,
所以,
所以
解得,
所以x+y=0.
故选:D.
10.D
【解析】
【分析】
根据四点共面结论:若四点共面,则且,
【详解】
若,,,四点共面,则,则
故选:D.
11.A
【解析】
【分析】
结合共面向量定理及共线向量判断即可.
【详解】
若 不共线,则由共面向量定理知, 共面;若 共线,则 共线,也共面.
故选:A.
12.B
【解析】
【分析】
证明出若且,则、、、四点共面,进而可得出合适的选项.
【详解】
设且,
则,,
则,所以,、、为共面向量,则、、、四点共面.
对于A选项,,,、、、四点不共面;
对于B选项,,,、、、四点共面;
对于C选项,,,、、、四点不共面.
故选:B.
13.B
【解析】
【分析】
利用空间向量的线性元素和空间向量的基本定理求解.
【详解】
,
,
故选:B
14.A
【解析】
【分析】
利用空间向量基本定理进行计算.
【详解】
.
故选:A
15.D
【解析】
【分析】
根据空间向量加法和减法的运算法则,以及向量的数乘运算即可求解.
【详解】
解:因为在平行六面体中,,,,点是的中点,点是上的点,且,
所以,
故选:D.
16.D
【解析】
【分析】
由空间向量的模长、共线、共面等相关概念依次判断4个选项即可.
【详解】
空间中任意两个向量必然共面,A错误;
若,则 的长度相等但方向不确定,B错误;
向量不能比较大小,C错误;
由可得向量与长度相等,方向相反,故,D正确.
故选:D.
17.A
【解析】
【分析】
根据空间向量的运算法则,化简得到,即可求解.
【详解】
由题意,根据空间向量的运算法则,可得
.
故选:A.
18.B
【解析】
【分析】
根据空间向量加法的平行四边形法则,以及向量相等的概念,根据题意,列出等量关系,求解即可.
【详解】
因为,又因为且等式右边的三个向量不共面,
故可得,解得,
故可得.
故选:B.
19.B
【解析】
【分析】
根据长方体,得到相等的向量,再利用空间向量的加法法则进行计算.
【详解】
如图,可得,,所以.
故选:B
20.C
【解析】
【分析】
由相等向量的定义依次判断各个选项即可得到结果.
【详解】
对于①,当两个空间向量起点相同,终点也相同时,这两个向量必相等;但两个向量相等,它们的起点和终点都不一定相同,①错误;
对于②,根据向量相等的定义,要保证两个向量相等,不仅模要相等,而且方向还要相同,但②中向量与的方向不一定相同,②错误;
对于③,根据正方体的性质,在正方体中,向量与向量的方向相同,模也相等,则,③正确;
对于④,由向量相等关系可知,④正确.
故选:C.
21.A
【解析】
【分析】
由平行六面体定义可确定与棱长度相等的棱,由此可确定结果.
【详解】
由平行六面体定义可知几何体各个面均为平行四边形,
,
则与向量的模相等的向量有,,,,,,,共个.
故选:A.
22.B
【解析】
【分析】
依据正六棱柱的结构特征并利用向量加减法的几何意义去求.
【详解】
正六棱柱中,
故选:B
23.A
【解析】
【分析】
根据空间向量的加减运算,表示出向量,即得答案.
【详解】
,
故选;A
24.D
【解析】
【分析】
根据空间向量的加法法则判断.
【详解】
由正方体,空间向量的加法法则可得.
;;
;.
故选:D.
25.B
【解析】
【分析】
利用空间向量线性运算直接化简即可.
【详解】
对于①,,①正确;
对于②,,②正确;
对于③,,③错误;
对于④,,④错误.
故选:B.
26.D
【解析】
【分析】
根据模的性质、向量共线定理、空间向量共面定理、空间向量基本定理判断各选项.
【详解】
A.若、不共线,则向量加法的三角形法则有,但当、同向时,也有,因此是、共线的充分不充要条件,A错;
B.若,当时,不存在唯一的实数,使,B错;
C.因为A、B、C三点不共线,则不共线,
若四点共面,则存在唯一的一组实数使得,
即,变形得,
而当由时,,所以不共面,C错;
D.若、、是不共面的向量,则、、也是不共面的向量,否则若、、,则存在实数,使得,
即,中至少有一个不等于0,
若,则 ,因此、、共面,与已知矛盾,或同样得出矛盾,所以、、也是不共面,由空间向量基本定理,可能用它们表示出空间任意向量.D正确.
故选:D.
27.A
【解析】
【分析】
根据空间向量共线、共面及基本定理判断即可;
【详解】
解:①若向量,平行,则向量,所在的直线平行或重合,因此①不正确;
②若向量,所在的直线为异面直线,则向量,是共面向量,因此②不正确;
③若三个向量,,两两共面,则向量,,不一定共面,
可能是空间三个不共面的向量,如空间直角坐标系中轴、轴、轴方向上的单位向量,因此③不正确;
④若与是平面上互不平行的向量,即与可以作为平面上的一组基底,点,点,
但是直线可以平行平面,则与、共面,故④错误.
故选:A
28.C
【解析】
【分析】
利用共线向量与共面向量的定义判断即可.
【详解】
平面上的任意两个向量都共线,显然不正确,例如一组基底向量,故A不正确;
空间的任意三个向量都不共面,显然不正确,例如一个零向量,两个非零向量,所以B不正确;
空间任意两个向量共面,故C正确;
显然空间直角坐标系一组基底向量,不是共面向量,所以D不正确.
故选: C
29.D
【解析】
【分析】
对于A,利用空间向量基本定理判断,对于B,利用向量的定义判断,对于C,举例判断,对于D,共面向量定理判断
【详解】
对于A,若三个向量共面,在平面,则空间中不在平面的向量不能用表示,所以A错误,
对于B,因为向量是自由向量,是可以自由平移,所以当所在的直线是异面直线时,有可能共面,所以B错误,
对于C,当三个向量两两共面时,如空间直角坐标系中的3个基向量两两共面,但这3个向量不共面,所以C错误,
对于D,因为A,B,C三点不共线,,且,所以A,B,C,D四点共面,所以D 正确,
故选:D
30.D
【解析】
【分析】
化简可得,由四点共面可知系数和,计算即可得解.
【详解】
依题意,
由四点共面,则系数和,则.
故选:D
31.C
【解析】
【分析】
根据四点共面的条件对选项逐一分析,由此确定正确选项.
【详解】
解:与,,一定共面的充要条件是,
对于A选项,由于,故不共面,错误;
对于B选项,由得,由于,故不共面,错误;
对于C选项,由得,即,由于,满足,故共面,正确;
对于D选项,由于,故不共面,错误;
故选:C
32.D
【解析】
【分析】
根据空间向量共线与直线平行,以及空间中四点共面与对应向量的共面关系,对每个选项进行逐一分析,即可判断和选择.
【详解】
对:若非零向量,平行,则,所在直线有可能重合;
若其中一个向量为零向量,则,所在直线位置关系不确定,故错误;
对:若向量,所在直线是异面直线,则,可以通过平移从而共面,故错误;
对:若,,,四点不共面,则可以通过平移从而共面,故错误;
对:若,,,四点不共面,则可以两两共面,
但是三个向量无法共面,故正确;
故选:.
33.C
【解析】
【分析】
结合共面性质,或且判断即可.
【详解】
对ABD,变形后均不满足且,故ABD错误;
对C,,满足,故C正确.
故选:C
34.CD
【解析】
【分析】
根据相等向量的定义,结合正四棱柱的结构特征依次判断选项即可.
【详解】
由正四棱柱可知,
A:,但与方向相反,故A不符题意;
B:,但与方向不同,故B不符题意;
C:,且与方向相同,故C符题意;
D:,且与方向相同,故D符题意.
故选:CD.
35.BCD
【解析】
【分析】
依据向量相等的概念否定选项A;依据向量相等的概念判断选项BCD正确.
【详解】
依据向量相等的概念,选项A判断错误;
若向量是向量的相反向量,则.选项B判断正确;
依据向量相等的概念,在正方体中,.选项C判断正确;
依据向量相等的概念,若空间向量,,满足,,则.选项D判断正确.
故选:BCD.
36.AC
【解析】
【分析】
求得判断选项A;求得判断选项B;求得判断选项C;求得判断选项D.
【详解】
选项A:.判断正确;
选项B:.判断错误;
选项C:.判断正确;
选项D:.判断错误.
故选:AC
37.ABC
【解析】
【分析】
根据空间向量的加法的几何意义、平行向量的定义,结合共面的定义逐一判断即可.
【详解】
A:因为,所以本选项命题正确;
B:由,所以,所以本选项命题正确;
C:根据平移,当空间向量的有向线段所在的直线是异面直线时,这两个向量可以是共面向量,所以本选项命题正确;
D:只有当时,P,A,B,C四点才共面,所以本选项命题不正确,
故选:ABC
38.ABD
【解析】
【分析】
根据三角形内中点的结论及向量加法、减法的三角形法则逐个分析选项即可得出答案.
【详解】
如图,因为为的中点,所以,故选项A正确;
,故选项B正确;
,故选项C错误;
,故选项D正确.
故选:ABD.
39.
【解析】
【分析】
根据向量的运算法则,准确运算,即可求解.
【详解】
由题意得.
故答案为:.
40.
【解析】
【分析】
由题知,进而计算即可得答案.
【详解】
解:如图,因为为与的交点,所以为的中点,
所以,
所以,.
故答案为:
41.②④
【解析】
【分析】
利用空间向量加法与减法法则化简①②③④中的向量,可得结果.
【详解】
对于①,;
对于②,
;
对于③,;
对于④,.
故答案为:②④.
42.
【解析】
【分析】
利用正方体结构特征,依据向量加减法去求
【详解】
正方体中
,则
故答案为:
43.
【解析】
【分析】
依据向量加减法的几何意义去求
【详解】
由,
可得
故答案为:
44.(1),,;,,,
(2),,,(答案不唯一)
(3),(答案不唯一)
【解析】
【分析】
(1)根据相等向量,相反向量的定义,结合图形分析求解.
(2)由向量加减运算法则,结合图形分析求解.
(3)由向量加法运算法则,结合图形分析求解.
(1)
解:的相等向量有:,,;
的负向量即相反向量有:,,,.
(2)
由向量加减运算法则得:,,,(答案不唯一)
(3)
由向量加法运算法则得:,(答案不唯一)
45.(1)
(2)
【解析】
【分析】
(1)根据向量加法运算求解即可;
(2)由题知,进而得,,,再根据求解即可.
(1)
解:如图,根据向量加法法则得:
.
(2)
解:由(1)得,
因为,
所以,,,
所以,
46.
【解析】
【分析】
利用空间向量的线性运算,即可用,,表示.
【详解】
因为在平行六面体中,点在线段上,且,
所以
.
47.(1)、、、
(2)、、、
【解析】
【分析】
(1)依据相等向量的定义写出与相等的所有向量;
(2)依据相反向量的定义写出的相反向量.
(1)
与相等的所有向量为、、、
(2)
的相反向量为:、、、
48.(1)证明见解析
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)根据空间向量的加减运算,选定基底表示出向量,根据向量间的倍数关系可证明结论;
(2)根据空间向量的加减运算,选定基底表示出向量,根据向量间的倍数关系可证明结论;
(1)
由题意,,,
故
,
,
故,由于有公共点A,
故A、、三点共线;
(2)
由题意,点是平行四边形的中心,
故
,
故 ,因为有公共点D,
故、、三点共线.
49.(1)向量 共面,M在平面ABC上
(2)M在平面ABC上
(3)存在实数x y z,满足,且
【解析】
【分析】
(1)利用向量四点共面的表达式,,则可判断是否空面;
(2)利用向量四点共面的表达式,且,判断点在面内问题;
(3)且可采用向量的四点共面的证明方式证明.
(1)
因为,所以,
所以,
所以,所以向量 共面.
而它们有共同的起点M,所以M A B C共面,即M在平面ABC上;
(2)
因为,所以,
所以,
所以,所以向量 共面.
而它们有共同的起点M,所以M A B C共面,即M在平面ABC上;
(3)
若O为平面ABC外的一点,则点P在平面ABC上的充要条件是:“存在实数x y z,满足,且.”
证明:必要性,由,且,
则,
所以,
即,说明点P在平面ABC上
充分性,若点P在平面ABC上,O为平面ABC外的一点
则,
所以,
则,
令,则,且.
50.(1),,
(2)
【解析】
【分析】
由空间向量的线性运算可得.
(1)
因为M、N、P分别是、BC、的中点
所以,;
;
;
(2)
因为,所以
所以.
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