资源简介 立体几何中的最值问题常见考点考点一 最大值问题典例1.如图,在中,,,为的外心,平面,且.(1)求证:平面;(2)设平面面,若点在线段(不含端点)上运动,当直线与平面所成角取最大值时,求二面角的正弦值.【答案】(1)证明见解析(2)【解析】(1)如图,连接,交于点,为的外心,所以,又因为,所以,所以,故和都为等边三角形,可得,即四边形为菱形,所以;又平面、平面,所以平面,(2)因为,平面,平面,所以平面,因为平面,平面平面,所以.如图,以点为原点,分别以,所在的直线为,轴,过点垂直于面的直线为轴建立空间直角坐标系,则,,,,所以,,,.因为点在线段不含端点)上运动,所以,设,所以,设平面的法向量为,则可得:,令可得,所以,所以直线与平面所成角的正弦值为:,即当时直线与平面所成角取最大值.此时,所以,,设平面的法向量为,则,令,,,所以,所以,设二面角的平面角为,则,所以,则二面角的正弦值为.变式1-1.如图,在正三棱柱中,,点D在边BC上,E为的中点.(1)如果D为BC的中点,求证:平面平面;(2)设锐二面角的平面角为,,,当取何值时,取得最大值?【答案】(1)证明见解析(2)【解析】【分析】(1)利用几何法证明,若要证明面面平行,只要证明其中一个平面中的两条相交直线平行于另一个平面即可;(2)建立如图所示空间直角坐标系,利用法向量来求二面角的大小即可得解.(1)证明:在正三棱柱中,因为D,E分别为BC,的中点,所以,所以四边形为平行四边形,所以,又因为平面,平面,所以平面,同理可证平面,,,平面,所以平面平面;(2)以A为坐标原点,方向为y轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,则,,,,,所以,,,,设平面的法向量为,则即令,得,,所以,由,,得,设平面的法向量为,即令,得,,所以,由,得,因为锐二面角的平面角为,所以,令,则,故,所以,令,则在上单调递增,所以在上单调递减,当,此时,即点D与点B重合时,取得最大值.变式1-2.如图,在四棱锥中,底面ABCD是直角梯形,侧棱底面ABCD,AB垂直于AD和BC,,,M是棱SB的中点.(1)求证:平面SCD;(2)求平面SCD与平面SAB的夹角的余弦值;(3)设点N是线段CD上的动点,MN与平面SAB所成的角为,求的最大值.【答案】(1)证明见解析(2)(3)【解析】【分析】(1)建立空间直角坐标系,利用向量法证得平面SCD.(2)利用向量法求得平面SCD与平面SAB所成的角的余弦值.(3)设出点的坐标,求得的表达式,结合二次函数的性质求得的最大值.(1)底面ABCD,所以,由于,所以两两垂直,以点A为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,则,,,,,,,.设平面SCD的法向量为,则,,令,得是平面SCD的一个法向量.,,平面,平面SCD.(2)平面SAB的一个法向量为,设平面SCD与平面SAB的夹角为,则平面SCD与平面SAB的夹角的余弦值为.(3)由题可设,则.平面SAB的一个法向量为,,当,即时,取得最大值,最大值为.变式1-3.如图,在正四棱锥中,点,分别是,中点,点是上的一点.(1)证明:;(2)若四棱锥的所有棱长为,求直线与平面所成角的正弦值的最大值.【答案】(1)证明见解析(2)【解析】【分析】(1)作出辅助线,证明线面垂直,进而证明线线垂直;(2)建立空间直角坐标系,利用空间向量进行求解.(1)如图,连接SO和OE,因为是正四棱锥,所以平面ABCD,又因为平面ABCD,所以因为ABCD是正方形,所以,又因为点O,E分别是BD,BC中点,所以∥,所以又因为,OE、平面SOE,所以平面SOE,因为平面SOE,所以.(2)易知OB,OC,OS两两相互垂直,如图,以点O为原点,OB,OC,OS为x,y,z轴建立空间直角坐标系,因为四棱锥的所有棱长为,所以,,所以,,,,设,得,则,,设平面SDE的法向量为,则,解得,取,得,设直线OF与平面SDE所成角为,则,当时,取得最小值,此时取得最大值.考点二 最小值问题典例2.如图,在梯形ABCD中,,,,四边形BFED为矩形,,平面平面ABCD.(1)求证:平面BDEF;(2)点P在线段EF上运动,设平面PAB与平面ADE所成的夹角为,试求的最小值.【答案】(1)证明见解析(2)【解析】【分析】(1)由已知条件可得,再由平面平面ABCD,可得平面ADB,则,然后由线面垂直的判定定理可证得结论,(2)由于,,,所以建立直线DA,DB,DE为x轴,y轴,z轴的如图所示的空间直角坐标系,令,然后利用空间向量求解即可(1)证明,在梯形ABCD中,∵,,,∴,,∴,∴.又∵平面平面ABCD,平面平面,,∴平面ADB,∴.又∵,∴平面BDEF.(2)由(1)可知,,.可建立直线DA,DB,DE为x轴,y轴,z轴的如图所示的空间直角坐标系,令,则,,,,∴,设为平面的法向量,由,得,取,∵是平面的一个法向量,∴.∵,∴当时,有最大值,∴的最小值为变式2-1.如图,在中,,,,将绕边翻转至,使面面,是的中点.(1)求二面角的平面角的余弦值;(2)设是线段上的动点,当与所成角取得最小值时,求线段的长度.【答案】(1)(2)【解析】【分析】(1)延长,过点作,垂足为,过点作,垂足为,连接,则是二面角的平面角,再解三角形即得解;(2)连接,以为原点,由题得,以为轴,为轴,为轴,建立空间直角坐标系,利用向量法求出当=时,与所成的角最小,即得解.(1)解:由题得.所以,所以是钝角.延长,过点作,垂足为,过点作,垂足为,连接,则是二面角的平面角.由题得,所以,所以,.所以二面角的平面角的余弦值为.(2)解:连接,以为原点,由题得,以为轴,为轴,为轴,建立空间直角坐标系,由题得设即,因为所以令,令时,函数单调递增,时,,函数单调递减.所以当=时,取最大值,此时与所成的角最小,.变式2-2.如图,四棱锥的底面为矩形,底面,设平面与平面的交线为m.(1)证明:,且平面;(2)已知,R为m上的点求与平面所成角的余弦值的最小值.【答案】(1)证明见解析;(2).【解析】【分析】(1)先由证明平面,再由线面平行推线线平行,可得;由,可得平面,再由,即得证;(2)建立空间直角坐标系,计算平面的法向量,表示与平面所成角,计算最值即得解【详解】(1)由题意,四棱锥的底面为矩形,可知,又平面,平面所以平面又m为平面与平面的交线,且平面,故因为底面,平面,所以,又,且,所以平面,又,所以平面(2)由(1)可知,,,两两互相垂直,以D为坐标原点,,的方向分别为x轴,y轴,轴的正方向,建立空间直角坐标系,,,,因为点R在平面内的m上,且,所以可设,,设平面的法向量为,则即可取设与平面所成角为则因为当且仅当时等号成立所以,所以与平面所成角的余弦值的最小值为变式2-3.如图,在梯形中,,,,四边形为矩形,平面平面,.(1)求证:平面,平面;(2)点在线段上运动,设平面与平面所成锐二面角为,试求的最小值.【答案】(1)证明见解析;(2).【解析】【分析】(1)根据已知条件转化垂直关系,利用线面垂直的判断定理,即可证明;(2)分别以直线,,为轴、轴、轴建立空间直角坐标系,令,然后写出各点坐标,求出平面和平面的法向量,由法向量夹角与二面角的关系求得(为的函数),由函数知识可得最小值.【详解】解:(1)证明,在梯形中,∵,,,∴,,∴,∴.∵平面平面,平面平面,平面,,又∵,∴平面.又四边形是矩形,∴,∴平面,∴,∵,∴平面.(2)由(1)可建立直线,,为轴,轴,轴的如图所示的空间直角坐标系,令,则,,,,∴,.设为平面的法向量,由,得,取,则.∵是平面的一个法向量,∴.∵,∴当时,有最大值,∴的最小值为.巩固练习练习一 最大值问题1.如图所示,在三棱柱中,,点在平面的射影为线段的中点,侧面是菱形,过点的平面与棱交于点.(1)证明:四边形为矩形;(2)求与平面所成角的正弦值的最大值.【答案】(1)证明见解析(2)【解析】【分析】(1)由已知线面平行的判定定理得到平面,在运用面面平行的判定与性质得四边形为平行四边形.运用线面垂直判定定理可得平面,从而得出结论.(2) 以,,所在直线分别为轴、轴、轴,建立如图所示的空间直角坐标系,依题意得 ,分别求解平面的法向量和的方向向量,运用线面角的向量求解方法得到答案.(1)取中点为,连接,.在三棱柱中,侧面为平行四边形,所以,因为平面,平面,所以平面.因为平面,且平面平面,所以.因为在三棱柱中,平面平面,平面平面,平面平面,所以,所以四边形为平行四边形.在△中,因为,是的中点,所以.由题可知平面,所以,,因为,所以平面,所以,所以四边形为矩形.(2)由(1)知,,两两垂直,以,,所在直线分别为轴、轴、轴,建立如图所示的空间直角坐标系.设,,在中,,,所以,所以,,,,则,.因为,所以,即.因为,所以.设平面的法向量为,则即所以令,则,,所以.设与平面所成角为,则,当且仅当,即时等号成立.故与平面所成角的正弦值最大为.2.如图,在矩形ABCD中,M、N分别是线段AB、CD的中点,,,将沿DM翻折,在翻折过程中A点记为P点.(1)从翻折至的过程中,求点P运动的轨迹长度;(2)翻折过程中,二面角P BC D的平面角为θ,求的最大值.【答案】(1)(2)【解析】【分析】(1)取DM的中点E,则从翻折至的过程中,点P运动的轨迹是以点E为圆心,AE为半径的半圆,由此可求得点P运动的轨迹长度.(2)由(1)得,连接AN,并延长交BC延长线于F,过P作,再过点O 作,则就是二面角P BC D的平面角θ,设,,,可得,令,运用辅助角公式和正弦函数的性质可求得最大值.(1)解:取DM的中点E,则从翻折至的过程中,点P运动的轨迹是以点E为圆心,AE为半径的半圆,因为,,所以,所以点P运动的轨迹长度为.(2)解:由(1)得,连接AN,并延长交BC延长线于F,,折起后,有面,过P作,则面,再过点O 作,则就是二面角P BC D的平面角θ,设, ,,,令,所以,所以,解得.所以的最大值为. 3.在四棱锥中,平面,底面是直角梯形,其中,,,为棱上的点,且.(1)求证:平面;(2)若二面角的平面角的正切值为,求的长;(3)在(2)的条件下,若为线段上一点,求与面所成角为,求的最大值.【答案】(1)证明见解析(2)(3)【解析】【分析】(1)如图建系,设,求出、、的坐标,计算,,可证明,,由线面垂直的判定定理即可求证;(2)设二面角的平面角为,由图知为锐角,则,所以,分别求出平面和平面的一个法向量,利用空间向量夹角公式列方程求出的值即可求解;(3)设,则,由(2)知平面的一个法向量,利用空间向量夹角公式将表示为关于的函数,结合二次函数的性质即可求解.(1)因为平面,面,所以,,因为,所以两两垂直,如图以为原点,分别以所在的直线为轴建立空间直角坐标系,设,则,,,,,所以,,,因为,,所以,,即,,因为,所以平面(2)由(1)知:平面,取平面的法向量,因为,,设平面的一个法向量为,由,取,则,,所以,设二面角的平面角为,且为锐角,则,所以所以,整理可得:,解得:,所以的长为.(3)由(2)知的长为,即,因为为线段上一点,所以,设,所以,平面的一个法向量,则,当时,最小为,所以最大值为,综上所述:的最大值为.4.如图,在直角三角形中,,斜边,直角三角形可以通过以直线为轴旋转得到,且二面角是直二面角,动点在斜边上.(1)求证:平面平面;(2)当为的中点时,求异面直线与所成角的正切值;(3)求与平面所成角的正切值的最大值.【答案】(1)证明见解析(2)(3).【解析】【分析】(1)证明为二面角的平面角,然后证明平面,得证面面垂直;(2)取中点.连接,证明异面直线与所成角为(或其补角),在中计算其正切值;(3)证明是与平面所成角,求出的最小值即到的距离即可得结论.(1)证明:因为,,所以为二面角的平面角,即,,又,平面,所以平面,因为平面,所以平面平面;(2)解:取中点.连接,如图,因为是中点,所以,所以异面直线与所成角为(或其补角),由已知,,,平面,所以平面,而平面,所以,所以,又,,所以,,从而,,,;(3)由(1)知平面,所以是与平面所成角,又平面,则,,直角中,到上点的距离的最小值为边上的高即,所以的最大值为.练习二 最小值问题5.如图,为正方形,为直角梯形,,平面平面,且.(1)若和延长交于点,求证:平面;(2)若为边上的动点,求直线与平面所成角正弦值的最小值.【答案】(1)见解析(2)【解析】【详解】试题分析:(1)先根据三角形中位线性质得为中点,再根据为平行四边形得,最后根据线面平行判定定理得结论,(2)利用空间向量求线面角,关键求出平面法向量:先建立空间直角坐标系,设立各点坐标,利用方程组求出平面法向量,根据向量数量积求出直线方向向量与平面法向量夹角的余弦值,最后根据线面角与两向量夹角之间关系求线面角正弦值,再根据自变量取值范围求最小值.试题解析:(1)证明:在梯形PDCE中,PD=2EC,为中点,,且AB//CF,为平行四边形,面,面,BF∥平面PAC.(2)方法一:令点在面PBD上的射影为,直线与平面PDB所成角.EC∥PD,所以EC平行于平面PBD,因为ABCD为正方形,所以,又因为PD⊥平面ABCD,所以PD⊥AC,所以AC⊥平面PBD,所以点C到面PBD的距离为,因为EC平行于平面PBD,所以点到PBD的距离,令,所以,所以.方法二:建立如图所示的空间直角坐标系O-xyz,可知平面PDB的一个法向量为,,,,令直线与平面PDB所成角为,.6.如图,在梯形中,,,,四边形为矩形,平面平面,,设点在线段上运动.(1)证明:;(2)设平面与平面所成锐二面角为,求的最小值.【答案】(1)证明见解析;(2).【解析】(1)由平面几何知识,余弦定理可得.,再由面面垂直、线面垂直的性质可得证;(2)由(1)可建立分别以直线,,为轴,轴,轴的如图所示的空间直角坐标系,令,由二面角的向量求解方法可表示,由二次函数的性质可求得最值.【详解】(1)证明:在梯形中,因为,,,所以,所以,所以,所以.因为平面平面,平面平面,因为平面,所以平面.所以;(2)解:由(1)可建立分别以直线,,为轴,轴,轴的如图所示的空间直角坐标系,令,则,,,.∴,.设为平面的一个法向量,由得,取,则,∵是平面的一个法向量,∴∵,∴当时,有最大值,的最小值为.【点睛】向量法求二面角的步骤:建、设、求、算、取.1、建:建立空间直角坐标系.以三条互相垂直的垂线的交点为原点,没有三垂线时需做辅助线;建立右手直角坐标系,让尽量多的点落在坐标轴上。2、设:设所需点的坐标,并得出所需向量的坐标.3、求:求出两个面的法向量.4、算:运用向量的数量积运算,求两个法向量的夹角的余弦值;5、取:根据二面角的范围和图示得出的二面角是锐角还是钝角,再取值.7.如图,在梯形ABCD中,AB∥CD,AD=DC=CB=1,∠BCD=120°,四边形BFED为矩形,平面BFED⊥平面ABCD,BF=1.(1)求证:AD⊥平面BFED;(2)点P在线段EF上运动,设平面PAB与平面ADE所成锐二面角为θ,试求θ的最小值.【答案】(1)证明见解析 (2)θ最小值为60°【解析】【分析】(1)在梯形ABCD中,利用勾股定理,得到AD⊥BD,再结合面面垂直的判定,证得DE⊥平面ABCD,即可证得AD⊥平面BFED;(2)以D为原点,直线DA,DB,DE分别为x轴,y轴,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,求得平面PAB与平面ADE法向量,利用向量的夹角公式,即可求解。【详解】(1)证明:在梯形ABCD中,∵AB∥CD,AD=DC=CB=1,∠BCD=120°,∴AB=2.∴BD2=AB2+AD2-2AB·AD·cos 60°=3.∴AB2=AD2+BD2,∴AD⊥BD.∵平面BFED⊥平面ABCD,平面BFED∩平面ABCD=BD,DE 平面BFED,DE⊥DB,∴DE⊥平面ABCD,∴DE⊥AD,又DE∩BD=D,∴AD⊥平面BFED.(1)由(1)知,直线AD,BD,ED两两垂直,故以D为原点,直线DA,DB,DE分别为x轴,y轴,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,令EP=λ(0≤λ≤),则D(0,0,0),A(1,0,0),B(0,,0),P(0,λ,1),所以=(-1,,0),=(0,λ-,1).设n1=(x,y,z)为平面PAB的法向量,由得,取y=1,则n1=(,1,-λ).因为n2=(0,1,0)是平面ADE的一个法向量,所以cos θ===.因为0≤λ≤,所以当λ=时,cos θ有最大值,所以θ的最小值为60°.【点睛】本题考查了线面垂直关系的判定与证明,以及空间角的求解问题,意在考查学生的空间想象能力和逻辑推理能力,解答中熟记线面位置关系的判定定理和性质定理,通过严密推理是线面位置关系判定的关键,同时对于立体几何中角的计算问题,往往可以利用空间向量法,通过求解平面的法向量,利用向量的夹角公式求解.8.如图,正方形边长为1,平面,平面,且(,在平面同侧),为线段上的动点.(1)求证:;(2)求的最小值,并求取得最小值时二面角的余弦值.【答案】(1)证明见解析;(2)最小值,二面角的余弦值为.【解析】【分析】法一:(1)将几何体补形为正方体,分别证明,,可得平面,即可证明结论;(2)建立空间直角坐标系,将转化为向量的模长问题,即可求解的最小值,然后利用向量的方法求二面角即可.法二:(1)直接建立空间直角坐标系,用证明;(2)将转化为向量的模长问题,即可求解的最小值,然后利用向量的方法求二面角即可.【详解】法一:(1)分别作平面,平面,取,顺次连接,,,,如图,易得几何体为正方体,连接,∴,∵平面,平面,∴,又∵,平面,平面,∴平面,又∵平面,∴,同理可证,又∵,平面,平面,∴平面,∵平面,∴.(2)∵平面,,故以为原点,,,的正方向为轴,轴,轴的正方向建立空间直角坐标系,由题意得,,,,,,,∵在上,∴设(),则有,,,当且仅当时,取得最小值,此时在平面中,,,设平面的法向量为,则有即设,得,,,此时在平面中,,,设平面的法向量为,则有即设,得,,,设二面角大小为,则,由题意可知,为锐角,所以.法二:(1)∵平面,,故以为原点,,,的正方向为轴,轴,轴的正方向建立空间直角坐标系,由题意得,,,,,,,∵在上,∴设(),则有,,∵,∴.(2)由(1)得:,,当且仅当时,取得最小值,此时在平面中,,,设平面的法向量为,则有即设,得,,,此时在平面中,,,设平面的法向量为,则有即设,得,,,设二面角大小为,则,由题意可知,为锐角,所以.【点睛】方法点睛:本题主要考查线面垂直的判定定理、利用向量的方法解决垂直问题及二面角问题,属于中档题. 利用向量法证明垂直问题的3种方法:(1)证明线线垂直:两条直线的方向向量的数量积为0.(2)证明线面垂直:直线的方向向量与平面的法向量平行.(3)证明面面垂直:①其中一个平面与另一个平面的法向量平行;②两个平面的法向量垂直.立体几何中的最值问题常见考点考点一 最大值问题典例1.如图,在中,,,为的外心,平面,且.(1)求证:平面;(2)设平面面,若点在线段(不含端点)上运动,当直线与平面所成角取最大值时,求二面角的正弦值.变式1-1.如图,在正三棱柱中,,点D在边BC上,E为的中点.(1)如果D为BC的中点,求证:平面平面;(2)设锐二面角的平面角为,,,当取何值时,取得最大值?变式1-2.如图,在四棱锥中,底面ABCD是直角梯形,侧棱底面ABCD,AB垂直于AD和BC,,,M是棱SB的中点.(1)求证:平面SCD;(2)求平面SCD与平面SAB的夹角的余弦值;(3)设点N是线段CD上的动点,MN与平面SAB所成的角为,求的最大值.变式1-3.如图,在正四棱锥中,点,分别是,中点,点是上的一点.(1)证明:;(2)若四棱锥的所有棱长为,求直线与平面所成角的正弦值的最大值.考点二 最小值问题典例2.如图,在梯形ABCD中,,,,四边形BFED为矩形,,平面平面ABCD.(1)求证:平面BDEF;(2)点P在线段EF上运动,设平面PAB与平面ADE所成的夹角为,试求的最小值.变式2-1.如图,在中,,,,将绕边翻转至,使面面,是的中点.(1)求二面角的平面角的余弦值;(2)设是线段上的动点,当与所成角取得最小值时,求线段的长度.变式2-2.如图,四棱锥的底面为矩形,底面,设平面与平面的交线为m.(1)证明:,且平面;(2)已知,R为m上的点求与平面所成角的余弦值的最小值.变式2-3.如图,在梯形中,,,,四边形为矩形,平面平面,.(1)求证:平面,平面;(2)点在线段上运动,设平面与平面所成锐二面角为,试求的最小值.巩固练习练习一 最大值问题1.如图所示,在三棱柱中,,点在平面的射影为线段的中点,侧面是菱形,过点的平面与棱交于点.(1)证明:四边形为矩形;(2)求与平面所成角的正弦值的最大值.2.如图,在矩形ABCD中,M、N分别是线段AB、CD的中点,,,将沿DM翻折,在翻折过程中A点记为P点.(1)从翻折至的过程中,求点P运动的轨迹长度;(2)翻折过程中,二面角P BC D的平面角为θ,求的最大值.3.在四棱锥中,平面,底面是直角梯形,其中,,,为棱上的点,且.(1)求证:平面;(2)若二面角的平面角的正切值为,求的长;(3)在(2)的条件下,若为线段上一点,求与面所成角为,求的最大值.4.如图,在直角三角形中,,斜边,直角三角形可以通过以直线为轴旋转得到,且二面角是直二面角,动点在斜边上.(1)求证:平面平面;(2)当为的中点时,求异面直线与所成角的正切值;(3)求与平面所成角的正切值的最大值.练习二 最小值问题5.如图,为正方形,为直角梯形,,平面平面,且.(1)若和延长交于点,求证:平面;(2)若为边上的动点,求直线与平面所成角正弦值的最小值.6.如图,在梯形中,,,,四边形为矩形,平面平面,,设点在线段上运动.(1)证明:;(2)设平面与平面所成锐二面角为,求的最小值.7.如图,在梯形ABCD中,AB∥CD,AD=DC=CB=1,∠BCD=120°,四边形BFED为矩形,平面BFED⊥平面ABCD,BF=1.(1)求证:AD⊥平面BFED;(2)点P在线段EF上运动,设平面PAB与平面ADE所成锐二面角为θ,试求θ的最小值.8.如图,正方形边长为1,平面,平面,且(,在平面同侧),为线段上的动点.(1)求证:;(2)求的最小值,并求取得最小值时二面角的余弦值. 展开更多...... 收起↑ 资源列表 立体几何中的最值问题-解答题训练(原卷版).docx 立体几何中的最值问题-解答题训练(解析版).docx