直线在平面内的射影
直线和平面的位置关系
P
P
D1
C1
A
D
O
A
B
C
(1)
(2)
A1 C
D
B1 C
MA
B
B
(3)
(1) PA⊥正方形ABCD所在平 面，O为对角线BD的中点， 求证：PO⊥BD，PC⊥BD
直线和平面
在日常生活中，我们可以观察到直线与平面 的位置关系共有三种。
即：平行、相交、在平面内。 其中直线在平面内，由基本性质1决定。 对于直线和平面的前两种位置关系，分别给
出下面的定义。
定义1 如果一条直线和一个平面没有公共点，那 么称这条直线和这个平面平行。
直线l与平面平行， 记作l //,即l
∴PC是平面ABC的斜线
∴AC是PC在平面ABC上的射影A
∵BC平面ABC 且AC ⊥ BC
∴由三垂线定理得
PC ⊥ BC
B C
例2 直接利用三垂线定理证明下列各题：
(1) PA⊥正方形ABCD所在平面，O为对角线BD的中点 求证：PO⊥BD，PC⊥BD (2) 已知：PA⊥平面PBC，PB=PC，M是BC的中点， 求证：BC⊥AM
在PAO中，
P
sin PAO PO 8 1 PAO 30
PA 16 2
A
同理 : sin PBO PO 8 PB 10
O
B
PBO 538
三垂线定理及逆定理
P oa
A α
预习：
三垂线定理
什么叫平面的斜线、垂线、射影？
P
oa
α
A
PO是平面α的斜线,
O为斜足; PA是平面α 的垂线, A为垂足; AO
高中数学知识点总结：直线与平面平行、垂直
⾼中数学知识点总结：直线与平⾯平⾏、垂直 直线与平⾯平⾏、直线与平⾯垂直. 1.空间直线与平⾯位置分三种：相交、平⾏、在平⾯内. 2. 直线与平⾯平⾏判定定理：如果平⾯外⼀条直线和这个平⾯内⼀条直线平⾏，那么这条直线和这个平⾯平⾏.(“线线平⾏，线⾯平⾏”) [注]：①直线与平⾯内⼀条直线平⾏，则∥. (×)(平⾯外⼀条直线) ②直线与平⾯内⼀条直线相交，则与平⾯相交. (×)(平⾯外⼀条直线) ③若直线与平⾯平⾏，则内必存在⽆数条直线与平⾏. (√)(不是任意⼀条直线，可利⽤平⾏的传递性证之) ④两条平⾏线中⼀条平⾏于⼀个平⾯，那么另⼀条也平⾏于这个平⾯. (×)(可能在此平⾯内) ⑤平⾏于同⼀直线的两个平⾯平⾏.(×)(两个平⾯可能相交) ⑥平⾏于同⼀个平⾯的两直线平⾏.(×)(两直线可能相交或者异⾯) ⑦直线与平⾯、所成⾓相等，则∥.(×)(、可能相交) 3.直线和平⾯平⾏性质定理：如果⼀条直线和⼀个平⾯平⾏，经过这条直线的平⾯和这个平⾯相交，那么这条直线和交线平⾏.(“线⾯平⾏，线线平⾏”) 4. 直线与平⾯垂直是指直线与平⾯任何⼀条直线垂直，过⼀点有且只有⼀条直线和⼀个平⾯垂直，过⼀点有且只有⼀个平⾯和⼀条直线垂直. 若⊥，⊥，得⊥(三垂线定理)， 得不出⊥. 因为⊥，但不垂直OA. 三垂线定理的逆定理亦成⽴. 直线与平⾯垂直的判定定理⼀：如果⼀条直线和⼀个平⾯内的两条相交直线都垂直，那么这两条直线垂直于这个平⾯.(“线线垂直，线⾯垂直”) 直线与平⾯垂直的判定定理⼆：如果平⾏线中⼀条直线垂直于⼀个平⾯，那么另⼀条也垂直于这个平⾯. 推论：如果两条直线同垂直于⼀个平⾯，那么这两条直线平⾏. [注]：①垂直于同⼀平⾯的两个平⾯平⾏.(×)(可能相交，垂直于同⼀条直线的两个平⾯平⾏) ②垂直于同⼀直线的两个平⾯平⾏.(√)(⼀条直线垂直于平⾏的⼀个平⾯，必垂直于另⼀个平⾯) ③垂直于同⼀平⾯的两条直线平⾏.(√) 5. ⑴垂线段和斜线段长定理：从平⾯外⼀点向这个平⾯所引的垂线段和斜线段中， ①射影相等的两条斜线段相等，射影较长的斜线段较长; ②相等的斜线段的射影相等，较长的斜线段射影较长; ③垂线段⽐任何⼀条斜线段短. [注]：垂线在平⾯的射影为⼀个点. [⼀条直线在平⾯内的射影是⼀条直线.(×)] ⑵射影定理推论：如果⼀个⾓所在平⾯外⼀点到⾓的两边的距离相等，那么这点在平⾯内的射影在这个⾓的平分线上。
[高等教育]射影平面
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4、每一组平行平面有且仅有一条交线为无穷远直线；过同一 条无穷远直线的平面相互平行. 因而，对于通常平面：
平行
无穷远直线
两平面
交于惟一
不平行
有穷远直线
空间中任二平面必相交于唯一直线
§ 2.1 射影平面
三、射影平面
定义1.24 通常点和无穷远点统称拓广点； 添加无穷远点后的直线和无穷远直线统称为拓广直线(射影仿 射直线)； 添加无穷远直线后的平面称为拓广平面(射影仿射平面).
§ 2.1 射影平面
(2) 拓广直线的拓扑模型
§ 2.1 射影平面
(3) 射影直线上点的分离关系
欧氏直线：一点区分直线为两个部分。 射影直线：一点不能区分直线为两个部分。 欧氏直线：两点确定直线上的一条线段。 射影直线：两点不能确定直线上的一条线段。
点偶A,B分离点偶C,D
点偶A,B不分离点偶C,D
平行
无穷远点
两直线 不平行 交于惟一 有穷远点
平面上任二直线总相交
5、空间中每一组平行直线交于惟一无穷远点. 6、任一直线与其平行平面交于惟一无穷远点.
§ 2.1 射影平面
理解约定1.1(3)
1、无穷远直线为无穷远点的轨迹. 无穷远直线上的点均为无穷 远点；平面上任何无穷远点均在无穷远直线上.
2、每一条通常直线与无穷远直线有且仅有一个交点为该直线 上的无穷远点.
§ 2.1 射影平面
一、中心射影
2、平面到平面的中心射影
定义1.23 : '
O投射中心(O ')
OP 投射线 P' π 上的点P 在π'上的像 P π' 上的点P'在π上的像
射影几何学
在射影几何学中，把无穷远点看作是“理想点”。
通常的直线再加上一个无穷点就是无穷远直线，如果一个平面内两条直线平行，那么这两条直线就交于这两条直线共有的无穷远点。
通过同一无穷远点的所有直线平行。
德国数学家克莱因（图）在爱尔朗根大学提出著名的《爱尔朗根计划书》中提出用变换群对几何学进行分类在引入无穷远点和无穷远直线后，原来普通点和普通直线的结合关系依然成立，而过去只有两条直线不平行的时候才能求交点的限制就消失了。
由于经过同一个无穷远点的直线都平行，因此中心射影和平行射影两者就可以统一了。
平行射影可以看作是经过无穷远点的中心投影了。
这样凡是利用中心投影或者平行投影把一个图形映成另一个图形的映射，就都可以叫做射影变换了。
射影变换有两个重要的性质：首先，射影变换使点列变点列，直线变直线，线束变线束，点和直线的结合性是射影变换的不变性；其次，射影变换下，交比不变。
交比是射影几何中重要的概念，用它可以说明两个平面点之间的射影对应。
在射影几何里，把点和直线叫做对偶元素，把“过一点作一直线”和“在一直线上取一点”叫做对偶运算。
在两个图形中，它们如果都是由点和直线组成，把其中一图形里的各元素改为它的对偶元素，各运算改为它的对偶运算，结果就得到另一个图形。
这两个图形叫做对偶图形。
在一个命题中叙述的内容只是关于点、直线和平面的位置，可把各元素改为它的对偶元素，各运算改为它的对偶运算的时候，结果就得到另一个命题。
这两个命题叫做对偶命题。
这就是射影几何学所特有的对偶原则。
在射影平面上，如果一个命题成立，那么它的对偶命题也成立，这叫做平面对偶原则。
同样，在射影空间里，如果一个命题成立，那么它的对偶命题也成立，叫做空间对偶原则。
研究在射影变换下二次曲线的不变性质，也是射影几何学的一项重要内容。
如果就几何学内容的多少来说，射影几何学；仿射几何学；欧氏几何学，这就是说欧氏几何学的内容最丰富，而射影几何学的内容最贫乏。
比如在欧氏几何学里可以讨论仿射几何学的对象(如简比、平行性等)和射影几何学的对象(如四点的交比等)，反过来，在射影几何学里不能讨论图形的仿射性质，而在仿射几何学里也不能讨论图形的度量性质。
直线与平面的位置关系
1. 空间直线的位置关系空间直线位置关系三种：相交、平行、异面.2. 直线与平面平行判定定理：如果平面外一条直线和这个平面内一条直线平行，那么这条直线和这个平面平行.（“线线平行⇒线面平行”）性质定理：如果一条直线和一个平面平行，经过这条直线的平面和这个平面相交，那么这条直线和交线平行.（“线面平行⇒线线平行”）3.直线与平面垂直判定定理一：“线线垂直⇒线面垂直”判定定理二：如果平行线中一条直线垂直于一个平面，那么另一条也垂直于这个平面.性质定理：如果两条直线同垂直于一个平面，那么这两条直线平行.三垂线定理：平面内的一条直线，如果和穿过这个平面的一条斜线在这个平面内的射影垂直，那么它也和这条斜线垂直。
4. 平面平行判定定理：（“线面平行⇒面面平行”）推论：垂直于同一条直线的两个平面互相平行；平行于同一平面的两个平面平行.性质定理：如果两个平面平行同时和第三个平面相交，那么它们交线平行.（“面面平行⇒线线平行”）5.平面垂直.平面垂直判定：如果一条直线与一个平面垂直，那么经过这条直线的平面垂直于这个平面.（“线面垂直⇒面面垂直”）性质定理：如果两个平面垂直，那么在一个平面内垂直于它们交线的直线也垂直于另一个平面.6. 空间向量.1利用法向量求点到面的距离定理：设n 是平面α的法向量，AB 与平面α相交，其中α∈A ，则点B 到平面α||n 2.直线AB 与平面所成角sin ||||AB m arc AB m β⋅=(m为平面α的法向量). 3.利用法向量求二面角的平面角定理：二面角l αβ--的平面角cos ||||m n arc m n θ⋅= 或cos ||||m narc m n π⋅-（m ，n 为平面α，β的法向量）.二面角的正负根据实际情况判.7.空间几何体的分类：1、有三条相互垂直直线；2、只有两面垂直，需要作辅助线来建系；3、倾斜几何体，不容易建系 8. 空间中角度的计算 异面直线间的夹角：平移法二面角：1、利用法向量计算2、作出二面角的平面角，利用勾股定理计算1. 如图，已知矩形ABCD 和矩形ADEF 所在平面互相垂直，点M ，N 分别在对角线BD ，AE 上，且13BM BD =，13AN AE =．求证：//MN 平面CDE ．证明方法：①在平面中找一条与已知直线平行的线，利用线线平行⇒线面平行②证明一个包含直线的面与所给面平行，利用线面平行⇒线线平行 ③利用空间向量证明线面平行（法向量与直线所在向量垂直）2. 如图, 在直三棱柱ABC －A 1B 1C 1中，AC ＝3，BC ＝4，AA 1＝4，点D 是AB 的中点， （I ）求证：AC ⊥BC 1； （II ）求证：AC 1//平面CDB 1；解析：（1）证明线线垂直方法有三类：一是通过三垂线定理或逆定理证明，二是通过线面垂直来证明线线垂直；三是利用两条直线所在的向量垂直来证明3.如图所示，四棱锥P —ABCD 中，AB ⊥AD ，CD ⊥AD ，PA ⊥底面ABCD ，PA=AD=CD=2AB=2，M 为PC 的中点。
点直线平面之间的位置关系知识点总结
点、直线、平面之间的位置关系知识点总结立体几何知识点总结1.直线在平面内的判定1利用公理1：一直线上不重合的两点在平面内;则这条直线在平面内.2若两个平面互相垂直;则经过第一个平面内的一点垂直于第二个平面的直线在第一个平面内;即若α⊥β;A∈α;AB⊥β;则ABα.3过一点和一条已知直线垂直的所有直线;都在过此点而垂直于已知直线的平面内;即若A∈a;a⊥b;A∈α;b⊥α;则aα.4过平面外一点和该平面平行的直线;都在过此点而与该平面平行的平面内;即若Pα;P∈β;β∥α;P∈a;a∥α;则aβ.5如果一条直线与一个平面平行;那么过这个平面内一点与这条直线平行的直线必在这个平面内;即若a∥α;A∈α;A∈b;b∥a;则bα.2.存在性和唯一性定理1过直线外一点与这条直线平行的直线有且只有一条；2过一点与已知平面垂直的直线有且只有一条；3过平面外一点与这个平面平行的平面有且只有一个；4与两条异面直线都垂直相交的直线有且只有一条；5过一点与已知直线垂直的平面有且只有一个；6过平面的一条斜线且与该平面垂直的平面有且只有一个；7过两条异面直线中的一条而与另一条平行的平面有且只有一个；8过两条互相垂直的异面直线中的一条而与另一条垂直的平面有且只有一个.3.射影及有关性质1点在平面上的射影自一点向平面引垂线;垂足叫做这点在这个平面上的射影;点的射影还是点.2直线在平面上的射影自直线上的两个点向平面引垂线;过两垂足的直线叫做直线在这平面上的射影.和射影面垂直的直线的射影是一个点；不与射影面垂直的直线的射影是一条直线.3图形在平面上的射影一个平面图形上所有的点在一个平面上的射影的集合叫做这个平面图形在该平面上的射影.当图形所在平面与射影面垂直时;射影是一条线段；当图形所在平面不与射影面垂直时;射影仍是一个图形.4射影的有关性质从平面外一点向这个平面所引的垂线段和斜线段中：i射影相等的两条斜线段相等;射影较长的斜线段也较长；ii相等的斜线段的射影相等;较长的斜线段的射影也较长；iii垂线段比任何一条斜线段都短.4.空间中的各种角等角定理及其推论定理若一个角的两边和另一个角的两边分别平行;并且方向相同;则这两个角相等.推论若两条相交直线和另两条相交直线分别平行;则这两组直线所成的锐角或直角相等.异面直线所成的角1定义：a、b是两条异面直线;经过空间任意一点O;分别引直线a′∥a;b′∥b;则a′和b′所成的锐角或直角叫做异面直线a和b所成的角.2取值范围：0°＜θ≤90°.3求解方法①根据定义;通过平移;找到异面直线所成的角θ；②解含有θ的三角形;求出角θ的大小.5.直线和平面所成的角1定义和平面所成的角有三种：i垂线面所成的角的一条斜线和它在平面上的射影所成的锐角;叫做这条直线和这个平面所成的角.ii垂线与平面所成的角直线垂直于平面;则它们所成的角是直角.iii一条直线和平面平行;或在平面内;则它们所成的角是0°的角.2取值范围0°≤θ≤90°3求解方法①作出斜线在平面上的射影;找到斜线与平面所成的角θ.②解含θ的三角形;求出其大小.③最小角定理斜线和平面所成的角;是这条斜线和平面内经过斜足的直线所成的一切角中最小的角;亦可说;斜线和平面所成的角不大于斜线与平面内任何直线所成的角.6.二面角及二面角的平面角1半平面直线把平面分成两个部分;每一部分都叫做半平面.2二面角条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角.这条直线叫做二面角的棱;这两个平面叫做二面角的面;即二面角由半平面一棱一半平面组成.若两个平面相交;则以两个平面的交线为棱形成四个二面角.二面角的大小用它的平面角来度量;通常认为二面角的平面角θ的取值范围是0°＜θ≤180°3二面角的平面角①以二面角棱上任意一点为端点;分别在两个面内作垂直于棱的射线;这两条射线所组成的角叫做二面角的平面角.如图;∠PCD是二面角α-AB-β的平面角.平面角∠PCD的大小与顶点C在棱AB上的位置无关.②二面角的平面角具有下列性质：i二面角的棱垂直于它的平面角所在的平面;即AB⊥平面PCD.ii从二面角的平面角的一边上任意一点异于角的顶点作另一面的垂线;垂足必在平面角的另一边或其反向延长线上.iii二面角的平面角所在的平面与二面角的两个面都垂直;即平面PCD⊥α;平面PCD⊥β.③找或作二面角的平面角的主要方法.i定义法ii垂面法iii三垂线法Ⅳ根据特殊图形的性质4求二面角大小的常见方法①先找或作出二面角的平面角θ;再通过解三角形求得θ的值.②利用面积射影定理S′=S·cosα其中S为二面角一个面内平面图形的面积;S′是这个平面图形在另一个面上的射影图形的面积;α为二面角的大小.③利用异面直线上两点间的距离公式求二面角的大小.7.空间的各种距离点到平面的距离1定义面外一点引一个平面的垂线;这个点和垂足间的距离叫做这个点到这个平面的距离.2求点面距离常用的方法：1直接利用定义求①找到或作出表示距离的线段；②抓住线段所求距离所在三角形解之.2利用两平面互相垂直的性质.即如果已知点在已知平面的垂面上;则已知点到两平面交线的距离就是所求的点面距离.3体积法其步骤是：①在平面内选取适当三点;和已知点构成三棱锥；②求出此三棱锥的体积V和所取三点构成三角形的面积S；③由V=S·h;求出h即为所求.这种方法的优点是不必作出垂线即可求点面距离.难点在于如何构造合适的三棱锥以便于计算.4转化法将点到平面的距离转化为平行直线与平面的距离来求.8.直线和平面的距离1定义一条直线和一个平面平行;这条直线上任意一点到平面的距离;叫做这条直线和平面的距离.2求线面距离常用的方法①直接利用定义求证或连或作某线段为距离;然后通过解三角形计算之.②将线面距离转化为点面距离;然后运用解三角形或体积法求解之.③作辅助垂直平面;把求线面距离转化为求点线距离.9.平行平面的距离1定义个平行平面同时垂直的直线;叫做这两个平行平面的公垂线.公垂线夹在两个平行平面间的部分;叫做这两个平行平面的公垂线段.两个平行平面的公垂线段的长度叫做这两个平行平面的距离.2求平行平面距离常用的方法①直接利用定义求证或连或作某线段为距离;然后通过解三角形计算之.②把面面平行距离转化为线面平行距离;再转化为线线平行距离;最后转化为点线面距离;通过解三角形或体积法求解之.10.异面直线的距离1定义条异面直线都垂直相交的直线叫做两条异面直线的公垂线.两条异面直线的公垂线在这两条异面直线间的线段的长度;叫做两条异面直线的距离.任何两条确定的异面直线都存在唯一的公垂线段.2求两条异面直线的距离常用的方法①定义法题目所给的条件;找出或作出两条异面直线的公垂线段;再根据有关定理、性质求出公垂线段的长.此法一般多用于两异面直线互相垂直的情形.②转化法为以下两种形式：线面距离面面距离③等体积法④最值法⑤射影法⑥公式法。
直线在平面内的射影
O
从平面内一点发出的 从平面外不同点发出 斜线段，长度虽然相等， 的斜线段，长度虽然相等， 但射影不一定相等。 但射影不一定相等。
妹没什么任何道理可讲/于是赶快转移话题/扭过头朝霍沫说道：/那是年姐姐/还别赶快行礼？/霍沫被那各年姐姐の壹声/好么/搞得神情尴尬/面色通红/壹听排字琦招呼她/总算是替她解咯围/于是赶快上前规矩地行咯请安礼：/妹妹 惊人の秘密：/主子/府の奴才们都在私下传着壹各消息/奴婢听咯吓坏咯/根本别敢相信/仆役妹们还跟奴婢来问是别是真の呢///噢？啥啊事情能把您给吓着？那太阳可就从西头出来咯///回主子/真の快把奴婢の魂儿吓坏咯/人人都在 传言/说年侧福晋の魂儿找回来咯///啥啊？/排字琦被红莲の那壹句话惊得将手中の茶盏打翻在桌子上/热茶水洒咯壹桌子/有几点已经溅到咯她の手背上/红莲见状赶快上前去帮着擦拭/壹边小声嘀咕道：/奴婢就说嘛/当初听到の时候 /真别敢相信呢/那魂儿当初怎么说丢就丢咯/现在怎么说找回来就又找回来咯？莫别是……//就您嘴欠/我看您是别是想见小顺子那各奴才咯？//奴婢知错咯/知错咯/奴婢巴别得离那各奴才远远の/怎么可能想见他呢//小顺子是王府の 行刑奴才/众人无别谈之色变/红莲当然也别例外/那边吓唬住咯红莲/那边排字琦可是心生惊澜/她壹定要搞清楚/到底是怎么回事儿/第1451章/惊心排字琦本想借着替元寿小格求情の机会从王爷那里壹探天仙妹妹の虚实/可是她提咯几 次都没什么得到他同意见面の应允/排字琦是各急性子/王爷那里寻别到突破/无奈之下只得亲自出马/希望能够从天仙妹妹那里得到答案/答案很简单/别费吹灰之力/只是那各答案令排字琦の心中止别住地疑虑从生/那两各人又是因为 啥啊闹起来の别扭？然而那各问题实在是太难咯/她那壹各月里前前后后来咯七八趟都没什么寻到正确答案/排字琦の好奇心没什么得到满足/却是将水清弄得整日里心惊肉跳、惶
初中数学竞赛专题-第十九章 空间射影图的性质及应用
第十九章空间射影图的性质及应用【基础知识】空间中一点在某直线或在某平面上的射影,就是从该点向直线或平面所作垂线段的垂足．空间一条直线在一平面内的射影可能是一条直线,也可能为一点,因而空间两异面直线之间的距离,可以转化成两异面直线在某一平面的射影或是两条平行直线,或是一点与一条直线而求． 空间图形有如下一系列有趣的性质：性质1从空间一点向一个平面所引的斜线段中,斜线段相等其射影相等,斜线段较长的其射影也较长．反之亦真．性质2长度为l 的线段与其射影线段的长0l 有如下关系：0cos l l α=⋅．其中α为长度为l 的线段所在直线与射影线段所在直线的夹角．性质3长度为l 的线段在与其共面的两相互垂直的直线上的射影长1l ,2l 有如下关系式：22212l l l =+．注此式即为三角形中的勾股定理．性质4长度为l 的线段,与它在三条两两互相垂直的直线上的射影长1l ,2l ,3l 有如下关系式：2222123l l l l =++注长方体对角线长的公式是其特例．性质5长度为l 的线段AB 的两端点A ,B 分别属于一个角度为θ的二面角的两个半平面α与β,AB 与平面α所成的角为1θ,与平面β所成的角为2θ,点A ,B 到这个二面角的棱的距离分别为1l ,2l ,则 2112sin sin sin l l lθθθ==． 证明如图191-,设AC 垂直于二面角的棱,作AO β⊥于O ,则CO 为AC 在平面β上的射影,知ACO θ∠=又BO 为AB 在β上的射影,知2ABO θ∠=,于是 1sin sin AO AC l θθ=⋅=⋅,2sin sin AO AB l βθ=⋅=⋅故有112sin sin l lθθ=． 同理可得21sin sin l l θθ=．故2112sin sin sin l l lθθθ==．注若AB 与二面角的棱垂直时,上式即为三角形中的正弦定理．性质6设APB θ∠=()0πθ<<在平面M 的一侧,顶点M 在平面M 上,边PA ,PB 与平面M 所成的角分别为1θ,2θ（10θ≤,2π2θ<）,在平面M 上的射影分别为1PA ,2PA ,()110πA PB αα∠=<<,平面APB 与平面M 所成的二面角为π02ϕϕ⎛⎫<< ⎪⎝⎭,则1212cos sin sin cos cos cos θθθαθθ-⋅=⋅． 证明不妨设11AA BB <,PA a =,PB b =,过A 引11AC A B ∥,交1BB 于C ,则有222222111111111cos 22PA PB A B PA PB AC PA PB PA PB α+-+-==⋅⋅而222AC AB BC =-,2222cos AB a b ab θ=+-．21sin sin BC b a θθ=⋅-⋅,从而()()2222212cos sin sin AC a b ab b a θθθ=+---⋅()2221212cos cos 2cos sin sin a b ab θθθθθ=⋅+⋅--⋅．又11cos PA a θ=⋅,12cos PB b θ=⋅,由此印可证．性质7已知BAC ∠的两边与平面M 相交于B ,C 两点,点A 在平面M 内的射影为A ',且A ',B ,C 不共线．设直线AB 和AC 与平面M 所成的角分别为1θ,2θ,那么当且仅当1211sin sin cos 1cos cos BAC θθθθ⋅∠-⋅时,有cos BAC BA C '∠∠．证明如图192-,在Rt AA B '△中,222A A AB A B ''=-．图19-2A ′θ2θ1BCAM同理,222A A AC A C ''=-．在ABC △中,2222cos BC AB AC AB AC BAC =+-⋅⋅∠．从而,在A BC '△中,2222cos cos 2A B A C BC AB AC BAC A A BA C A B A C A B A C '''+-⋅⋅∠-'∠==''''⋅⋅． 又1sin AA AB θ'=⋅,1cos A B AB θ'=⋅,2sin A A AC θ'=⋅,2cos A C AC θ'=⋅,从而 1211cos sin sin cos cos cos AB AC BAC AB AC BA C AB AC θθθθ⋅⋅∠-⋅⋅⋅'∠=⋅⋅⋅1212cos sin sin cos cos BAC θθθθ∠-⋅=⋅因此,有cos cos BAC BA C BAC BA C ''∠∠⇔∠∠1212cos sin sin cos cos sin BAC BACθθθθ∠-⋅⇔∠⋅()12121cos cos cos sin sin BACθθθθ⇔-⋅⋅∠⋅1212sin sin cos 1cos cos BAθθθθ⋅⇔∠-⋅．注（1）性质7中条件“A ',B ,C 不共线”可放宽为“A '与B ,C 都不重合”．（2）若已知BAC ∠的两边与平面M 相交于B ,C 两点,点A 在平面M 内的射影为A ',且A ',B ,C 不共线．令ABC α∠=, ACB β∠=,平面ABC 与平面M 所成二面角的大小为ϕ π02ϕ⎛⎫<< ⎪⎝⎭,则当且仅当cos cot cot ϕαβ-⋅时,有BAC ∠BA C '∠．（此结论的证明可见《数学通报》2001年4期P22页）性质8在二面角的一个半平面上的任意多边形的面积S 与这个二面角度数π02ϕϕ⎛⎫<< ⎪⎝⎭的余弦之乘积,等于这个多边形在此二面角的另一个半平面上射影多边形的面积S '．即cos S S ϕ'=⋅．性质9设顶点P 在平面M 内,两边PA ,PB 分别与M 在同侧所成角为1θ,2θ,且()0πAPB θθ∠=<<的两边PA ,PB 在平面M 上的射线分别为1PA ,1PB ,1A PB α∠=,平面APB 与平面M 所成的二面角为π02ϕϕ⎛⎫<< ⎪⎝⎭,则12cos cos sin cos sin θθαϕθ⋅⋅=．证明由性质8,有11cos PA B PAB S S ϕ⋅△△=．于是,112121cos cos sin cos cos sin 2cos 1sin sin 2PA B PABPA PB S S PA PB θθαθθαϕθθ⋅⋅⋅⋅⋅⋅===⋅⋅△△． 由性质8并注意性质5,即得如下两个推论： 推论122212122sin sin 2sin sin cos sin sin θθθθθϕθ+-⋅⋅=．推论222212122tan tan 2tan tan cos tan sin θθθθαϕα+-⋅⋅=．性质10面积为S 的平面多边形与它在三个两两互相垂直的平面上的射影面积1S ,2S ,2S 有关系式：2222123S S S S =++．【典型例题与基本方法】例1如图193-,在ABC △中,P 、Q 、R 将其周长三等分,且P 、Q 在AB 边上,求证： 29PQR ABCS S >△△．图19-3A BCHL QRP（1988年全国高中联赛题）证明不妨设周长为1,设L 、H 分别为C 、R 在AB 上的射影．则 1212PQR ABCPQ RHS PQ AR S AB AC AB CL ⋅⋅==⋅⋅△△． 13PQ =,12AB <,23PQ AB ∴>． 111236AP AP BQ AB PQ ∴+=-<-=≤, 11113366AR AP =->-=,12AC <,116132AR AC ∴>=,212339PQR ABC S S >⋅=△△． 例2如图194-,在正方体1111ABCD A B C D -中,E 是BC 的中点,F 在1AA 上,且112A F FA =∶∶．求平面1B EF 与底面1111A B C D 所成的二面角．图19-4C 1GD 1E 1B 1A 1F ABCDE（1985年全国高中联赛题）解作111EE B C ⊥于1E ,设111FB A θ∠=,112EB E θ∠=,则11tan 3θ=,2tan 2θ=．易知111A B E ∠为FBE ∠在平面11A C 上的射影角,即11190A B E α∠==︒．由性质9的推论2,有222112223733tan 129ϕ⎛⎫+-⋅⋅ ⎪⎝⎭==,故平面1B EF与底面所成二面角为． 例3设11AA B B 为圆柱的轴截面,C 为底面圆周上一点,11AA =,4AB =,60BAC ∠=︒．求平面11A CB 与圆柱底面AB 所成的二面角．解如图195-,设11ACA θ∠=,12B CB θ∠=,11ACB θ∠=．由4AB =,60BAC ∠=︒,所以2AC =,BC =11AA =,故1A C =1B C =,则1cos θ2cos θ图19-5于是222111111cos 2AC B C A B AC B C θ+-=⋅,由此得sin θ=．显然,90BAC α∠==︒,以此代入性质9中结论,得12cos cos sin cos sin θθαϕθ⋅⋅=从而30ϕ=︒． 故平面11A CB 与底面成30︒的二面角．【解题思维策略分析】1．射影——空间通往平面的桥梁 一些空间元素间的距离,或者线、面之间所成的角,常常可以通过射影的方式,把要求的数据通过它们在某一平面的影象而获得．例4设正方体1111ABCD A B C D -的棱长为1,P 是面对角线1BC 上一动点,Q 是底面ABCD 上一动点,试求1D P PQ +的最小值．（1998年“希望杯”竞赛题）Q 1QCAB P 1PC 1D 1AC BQP D图19-6(b)(a)B 1D 1C 1A 1解由题设,知1D P PQ +最小时,点Q 必定是点P 在底面上的射影,如图19-6（a ）,1D P 与PQ 是在二面角11D BC C --的两个面内,为此将1BC C △绕1BC 旋转90︒,使1BC C △与对角面11ABC D 在同一个平面内,如图19-6（b ）．由PQ BC ⊥,故当1D ,P ,Q 共线且与1BC 垂直时,1D P PQ +最小,可求得()11111122221122D Q D P PQ =+=+-=+．故所求最小值为212+． 例5在四棱锥S ABCD -中,底面ABCD 是凸四边形,AC BD ⊥,且AC 与BD 的交点O 恰是顶点S 在底面上的射影,证明：O 点在四棱锥各侧面上的射影在同一圆周上． OPNMACDPMCB NOAQ (a)(b)S图19-7证明如图19-7（a ）,设K ,L ,M ,N 分别是O 点在侧面SAB ,SBC ,SCD ,SDA 上的射影．在侧面SCD 内,连CM 并延长交SD 于P 点．由OC SO ⊥及OC OD ⊥,得OC SD ⊥．因OM ⊥面SCD ,CM 是OC 在面SCD 内的射影,故SD CM ⊥．同理DM SC ⊥,因而M 是SCD △的垂心． 同理,K ,L ,M 分别是各相应侧面三角形的垂心．连PO ,由三垂线定理得OP SD ⊥．连AP ,同理得AP SD ⊥．从而AP 过SAD △的垂心N ． 同样地,分别在SAB △,SBC △内引棱SB 上的高AQ ,CQ ,它们分别过点K ,L ,且交SB 于Q 点． 在APC △中,PO AC ⊥,ON AP ⊥,OM PC ⊥,如图197- （b ）．设OA a =,OC b =,OP c =, 则2OA NA AP =⋅,2OP PN AP =⋅,从而2222PN OA a NA OP c ==,同理22CM b MP c =． 设OQ d =,类似可得22AK a KQ d =,22QL d LC b =． 点K ,L ,M 和N 分别在四面体AQCP 的棱AQ ,QC ,CP 和PA 上,且222222221AK QL CM PN a d b c KQ LC MP NH d b c a⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=． 由四面体中的梅涅劳斯定理,知K ,L ,M ,N 在同一平面（记为α）内．以SO 为直径作球,因为90SKO SLO SMO SNO ∠=∠=∠=∠=︒,所以K ,L ,M 和N 均在上述球面上．因此,K ,L ,M 和N 同在平面α与球面相交的圆周上．例6设有立方体ABCD A B C D ''''-（相对的面是ABCD 和A B C D '''',其中AA BB CC DD ''''∥∥∥）．点x 以恒速在正方形ABCD 的周界上按A 、B 、C 、D 的顺序运动,点y 以同样的恒速在正方形B C CB ''的周界上按B '、C '、C 、B 的顺序运动,点x 和y 分别从点A 和B '同时出发,求线段xy 的中点Z 的轨迹．（IMO 4-试题）解设棱AA '的中垂面变立方体于正方形0000A B C D ,并设1Z 为00A B 之中点,2Z 为00B C 之中点,3Z 为BD 之中点,如图198-．D 'C 'B'A'BX AZ 3Z 1'Z 2'B 0DX ′'Z 2Z 1ZC 0A 0D 0Y图19-8（i ）当点X 从点A 出发遍历线段AB ,点Y 从点B '出发以相同的速度遍历线段B C '',线段XY 的中点Z 则由线段AB '的中点1Z 出发到线段BC '的中点2Z ．设线段X Y ''表示线段XY 在平面0000A B C D 内的射影,则知线段XY 的中点Z 也是线段X Y ''的中点．因此中点Z 在平面0000A B C D 上,显然,线段12Z Z 是中点Z 的轨迹．（ii ）当点X 由点B 到C 遍历线段BC 时,则点Y 由点C '到C 遍历线段C C '．由于速度相同,所有在平面BCC '上的直线XY 都平行于线段BC ',且点X 和Y 同时到达点C ,因此线段2Z C 是线段XY 的中点Z 的轨迹．（iii ）同理,当点X 遍历线段CD ,同时点Y 遍历线段CB 时,则所有在平面ABC 上的直线XY 都平行于线段BD ,且点X 和Y 同时分别达到D 和B ,因此线段3Z C 是线段XY 的中点Z 的轨迹．（iv ）最后,当X 沿线段DA 返回点A ,同时点Y 沿线段BB '返回点B '时,则只要适当地交换正方体的棱就可知道位置与情况（i ）相同,因此线段XY 的中点Z 遍历线段31Z Z ．由于线段12Z Z 、2Z C 、3CZ 、31Z Z 和32Z Z 的长都等于一侧面的对角线之半,另外,线段12Z Z 在平面ABC 内的射影12Z Z ''平行于3Z C ,得线段123Z Z Z C ∥,因此四边形123Z Z CZ 是一个平行四边形,而且是菱形,其中一个角如3260Z CZ ∠=︒．2．灵活运用性质求解问题例7应当怎样放置长方体,才能使它在水平面的投影面积最大？（1962年莫斯科竞赛题）A D图19-9解长方体在水平面上的投影是六边形,设为ABCDEF 如图199-．因为长方体每个侧面在水平面上的投影都是平行四边形,所以ACE △的面积是整个长方体投影面积的一半,设ACE △是长方体内A C E '''△的投影,设ϕ为A C E '''△所在平面与水平面的夹角,则由性质8,知cos ACE A C E S S ϕ''=⋅△△．显然,要使得长方体的投影面积最大,应当ACE S △最大,因而必须有cos 1ϕ=,即0ϕ=︒,这表明,当长方体中的A C E '''△所在平面与水平面平行时,长方体的投影面积达到最大．因此,应当这样放置长方体,使得经过它的自同一个顶点出发的3条棱的另一端点A ',C ',E '的平面与水平面平行．例8如图1910-,四棱锥S ABCD -的底面为直角梯形,AB CD ∥,AB AD ⊥,侧面SAD 垂直于底面,设30ASB ∠=︒,45DCS ∠=︒．求当侧面SAD 与侧面SBC 所成的二面角为60︒时,求BSC ∠及ASD ∠的大小． 图19-10SA BCD解因侧面SAD ⊥底面ABCD ,AB CD ∥,AB AD ⊥,故AB ,CD 均垂直于侧面SAD ,则ASB ∠,CSD ∠分别为SB ,SC 与平面SAD 所成的角,于是130ASB θ∠==︒,2 45CSD θ∠==︒．已知60ϕ=︒,由性 质9的推论1,有2222sin 30sin 452sin30sin 45cos sin 60sin θθ︒+︒-︒⋅︒⋅︒=． 从而,23sin 3θθ=-,那(cos 3cos 0θθ-=． 于是1cos 0θ=,2cos θ=190θ=︒,2θ=． 又由性质6,当190θ=︒时,sin30sin 45cos cos30cos45α-︒⋅︒==︒⋅︒,则1πα=-；而当2θ=时,1cos α==,所以2α= 故90BSC ∠=︒,πASD ∠=-BSC ∠=ASD ∠= 例9如图1911-,平行四边形ABCD 的顶点A 在二面角MN αβ--的棱MN 上,点B ,C ,D 都在α上,且2AB AD =,45DAN ∠=︒,60BAD ∠=︒,求二面角MN αβ--的平面角ϕ的余弦值,使平行四边形ABCD 在半平面β上的射影是：（Ⅰ）菱形；（Ⅱ）矩形．图19-11N MA BC D αβ解由性质2,知AD ,BC 在平面β内的射影长度相等,AB ,CD 在β内的射影长度也相等,从而,平行四边形ABCD 在β内的射影也为平行四边形（或一线段）． 又由性质8,知其射影面的面积为cos ABCD S ϕ⋅． 设AD 与平面β所成的角为x ,则由性质5,知 sin 45sin sin AD AD x ϕ⋅︒=,即sin x ϕ=．其中用到AD 与MN 的夹角为45︒（从而D 到MN 的距离为sin45AD ⋅︒）．于是,设B ,C ,D 在平面β内的射影分别为B ',C ',D '时,则有AD AD '=．同理,AB AB '=． （Ⅰ）如果AB C D '''为菱形,则AB AD ''=,即AB AB ． 即()()222211sin 41sin 75sin 421cos150sin 2ϕϕϕ-=-︒⋅=--︒⋅．于是2sin 6θ=,故cos 2θ= （Ⅱ）如果A B C D ''''为矩形,则应有AB C D S AB AD '''''=⋅．于是cos ABCD S AB AD ϕ''⋅=⋅,即AB AD AB AD ϕ⋅⋅==⋅．进而有2221312cos 1sin 1sin 422ϕθϕ⎛⎫ ⎪⎛⎫ ⎪=-⋅- ⎪⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭．于是,令2sin t ϕ=,则((222120t t -++=．即211t ==,从而1cos 2θ=为所求．【模拟实战】习题A1．设AM 是ABC △边BC 上的中线,任作一条直线分别交AB 、AC 、AM 于P 、Q 、N ．求证：AB AP 、AMAN 、AC AQ 成等差数列．（1978年辽宁省竞赛题）2．已知三角形123P P P 和其内的任意一点,设直线1PP 、2P P 、3P P 交三角形的对边于1Q 、2Q 、3Q ．证明：在比值11PP PQ 、22P P PQ 、33P P PQ 中,至少有一个不大于2,也至少有一个不小于2． （IMO 3-试题）3．已知OAB △中90AOB ∠<︒,从OAB △中任一点(0)M ≠分别作OA 、OB 的垂线MP ,MQ ．设H 为OPQ △的垂心,当点M 遍历线段AB 时,点H 的轨迹是什么？（IMO 7-试题）4．长方体A C '中,5AB =,4BC =,6B B '=,且E 是AA '的中点,求异面直线BE 与A C ''间的距离． 5．正三棱柱111ABC A B C -,的侧面的三条对角线1AB 、1BC 、1CA 中,若11AB BC ⊥,求证： 11AC AB ⊥．（1985年北京市高一竞赛题） 6．棱长为12的正方体,被过A 、E 、F 三点的平面α所截,若9BE DF ==,求正方体被平面α所截的截面面积．（1979年辽宁省竞赛题）7．线段AB ,CD 夹在两个平行平面α与β之间,AC α⊂,BD β⊂,AB α⊥,5AC BD ==,12AB =,13CD =,E ,F 分别分AB ,CD 为12∶．求线段EF 的长．8．过ABC △的两个顶点A ,B 分别作平面ABC 的同一侧垂线AD ,BE ,得到正三角形CDE ,设1AD =,2BE =,3DE =．求平面CDE 与平面ABC 所成的二面角．9．在正三棱柱11ABC A B C -1中,1AB AA =,试确定1BB 上的点E ,使平面1A EC 与平面111A B C 所成的二面角为45︒．10．正方体1111ABCD A B C D -，的棱长为3,点P ,Q ,R 分别是棱1AA ,1BB ,11C D 上的点,且11A P =,12B Q =,11C R =．设平面PQR 与平面ABCD 所成的二面角（锐角）为α,求α．习题B1．已知四面体ABCD 四个侧面的面积相等．求证：此四面体的三对对棱的长度相等．2．在三棱锥S ABC -中,SA ⊥面ABC ,AB BC ⊥,点E 为SC 的中点,D 为AC 上的点,且DE SC ⊥．又SA AB =．SB BC =,求以BD 为棱,以BDE 和BDC 为面的二面角的大小．3．已知正四棱锥P ABCD -的侧面与底面所成的二面角的大小为α,相邻两个侧面所成二面角的大小为β求证：2cos cos βα=-．第十九章 空间射影图的性质及应用习题A1．设B ,M ,C ,P ,N ,Q 在过A 与PQ 平行的直线上的射影即证．2．分别设A ,B ,C ,P 在对边上的射影即证．3．设P ,A 在OB 所在直线上的射影为K ,D ,设Q ,B 在OA 所在直线上射影为T ,C ,所求轨迹为线段CD ．4．5．找1C B ,1A C 在面11ABB A 内的射影．6．利用性质8,求得截面面积为7．过D 作平面α的垂线交α于H ,由αβ∥,AB α⊥,得DH AB ∥．连AH ,HC ,在Rt DHC △中,12DH =,13,DC DH HC =⊥,从而5,5,60HC AH HCA ==∠=︒．显然E 在α上的射影为A ,F 在α上的射影为CH 的三等分点P ,即1533CP CH ==．利用余弦定理,求得AP =,故EF 8．设1DCA θ∠=,2ECB θ∠=,DCE θ∠=,所求二面角为ϕ．由11sin 3θ=,22sin 3θ=及θ=60︒,由性质9的推论1,求得24sin 9ϕ=．故平面CDE 与平面ABC 所成的二面角为2arcsin 3． 9．由题设知11EA B ∠,11CA C ∠分别是1A C ,1A E 与底面111A B C 所成的角,111B AC ∠为1EAC ∠在平面111A B C 上的射影．设111EA B θ∠=,112CAC θ∠=,111B AC α∠=,令1EB ∶1BB k =,则111111tan EB EB k A B BB θ===,2tan 1θ=,显然α=60︒．由性质9的推论2,有222tan 45(1)/k k ︒=+-⎝⎭,即24410k k -+=,亦即12k =,从而1BE EB =．故当点E 为1BB 的中点时,平面1A EC 与平面111A B C 所成的二面角为45︒．10．过R 作平面ABCD 的垂线,则垂足R '在线段CD 内,且1CR '=． 由于AR B '△是PRQ △在平面ABCD 上的射影,又可求得21922ABR S AB '==△,PQ =,PR =,QR =,等腰PQR △底边上的高为,有PQR S =△9cos 2α=α=为所求． 习题B1．设二面角A DC B --,A DB C --,A BC D --的大小分别为,,αβγ,而二面角C AB D --,B AC D --,C AD B --的大小分别为,,x y z ．由性质8,有 cos cos cos BCD ACD ADB ABC S S S S αβγ=⋅+⋅+⋅△△△△．结合题目条件,有cos cos cos 1αβγ++=．同理可证如下等式：cos cos cos x y γ++=1,cos cos cos 1x z β++=,cos cos cos 1y z α++=．注意到,,αβγ,x ,y ,z 都属于区间(0,π),由上述等式可得cos cos x α=,cos cos y β=,cos cos z γ=,从而,,x y z αβγ===．利用z γ=,过A 作面BCD 的垂线AE ,过E 作,EF AC F ⊥为垂足,则AFE γ∠=．类似地作出BGH z ∠=．由于13A BCD BCD V AE S -=⋅△,13B ACD ACD V BH S -=⋅△．结合A BCD B ACD V V --=,以及BCD ACD S S =△△,可知AE BH =,而sin AE AF γ=⋅,sin BH BG z =⋅,z γ=,故AF BG =．再利用12ABC S AF BC =⋅△,12BCD S BG AD =⋅△,ABC BAD S S =△△,可得BC AD =．类似可证AB CD =,AC BD =．2．由题设条件知E 为SC 的中点,SB BC =,可知BE SC ⊥．结合DE SC ⊥,可知SC ⊥面BDE ．这表明BDE △是BDC △在平面BDE 上的射影．设所求的二面角的度数为α,则由性质8,有BDE S =△cos BDC S α⋅△．由SC ⊥面BDE 及SE EC =,可知S BDE C BDE V V --=,即13C BDE BDE V SE S -=⋅△．注意到SA ⊥面ABC ,E 为SC的中点,可知点E 到面BCD 的高等于12SA ．于是1122E BCD BDC V SA S -=⋅⋅△,而C BDE E BCD V V --=,所以1136BDE BDC SE S SA S ⋅=⋅⋅△,故cos 2BDE BDC S SA SA S SE SC α===△△． 由条件SA ⊥面ABC ,故SA BC ⊥．结合BC AB ⊥,可知BC ⊥面SAB ,从而BC AB ⊥,于是2SC SB ==2(2)2SA SA =,故1cos 2α=,即α=30︒． 3．过P 作PO ⊥面ABCD ,过C 作CF DP ⊥,设正方形ABCD 的边长为a ,侧棱长PB b =．注意到CPF △与APF △中,PC PA =,PF 公用,FPA CPF ∠=∠,则CPF △≌APF △．又CF PD ⊥,可知AF DP ⊥,则AFC β∠=,从而22222cos 12AF CF AC a AF CF CF β+-==-⋅． 又22cos 42OCD PCD PCD S a a S S b CFα===⋅△△△． 又在PCD △中,有2211222a b CF a b ⎛⎫⋅=- ⎪⎝⎭知224a b a CF -=．于是2222224cos 44b a b a b a β-=1-=--,2222cos 4a b a α--=-,故2cos cos βα=-．。
第二章射影平面
第二章射影平面本章是在欧氏平面的基础上，通过引进无穷远元素的方法来建立射影平面。
然后又在欧氏平面上引进齐次坐标，并介绍了对偶原理。
§1 射影直线与射影平面1.1 中心射影与无穷远元素定义1.1 设两条直线a和a′在同一平面内，O是两直线外一点，A为直线a上任一点，A与O连线交直线a′于A′，如此得到的直线a与a′的对应叫做以O为射心的中心射影。
A′叫做A从O投射到a′上的对应点。
OA叫投射线，O叫投射中心，简称射心。
显然，A也叫A′从O投射到a上的对应点。
选取射心不同，就会得到不同的中心射影。
如果，a和a′相交于点C，则C是自对应点（二重点）。
在欧氏平面上，中心射影不是一一的。
如果a上点P使OP∥a′，则P没有对应点。
同样，在a′上也存在一点Q′，使OQ′∥a，则Q′的对应点也不存在。
点P和Q′叫影消点。
类似的，我们可以定义两平面间的中心射影。
而且，如果两平面有交线l，则交线l上的每一点都是自对应点（二重点），l叫自对应直线（二重直线）。
另外，在两平面间的中心射影下，不但存在影消点（该点与射心连线平行于另一平面），还存在影消线(影消点的轨迹)。
１为使中心射影成为一一对应，我们必须引进新的元素，从而将欧氏平面加以扩充。
于是，我们约定：约定1在平面内的一组平行直线上引进唯一一点叫无穷远点，此点在组中每一条直线上，记作：P∞。
平面上原有的点称为有穷远点。
由此可知，一组平行直线有且只有一个公共点，即无穷远点。
另外，一条直线a与同它平行的平面交于无穷远点。
这是因为过直线a作与已知平面相交的平面，则交线平行于直线a，即两条直线相交于无穷远点。
约定2平面内所有无穷远点的集合叫做无穷远直线，记作：l∞。
平面内原有的直线称为有穷远直线。
可以证明，一组平行平面相交于一条无穷远直线。
约定3空间里所有无穷远点的集合叫做无穷远平面，记作：π∞。
空间中原有平面叫有穷远平面。
定义1.2无穷远点，无穷远直线，无穷远平面统称为无穷远元素。
人教版高中数学第三讲3.1平行射影
[ 变 式训练 ] △ABC 在 平 面 α 上 的 平行 射 影 是 ________．
答案：三角形或一条线段
1．应加强对于具体图形的相对位置关系与射影的关 系的认识，并注意图形的射影的形成是由点线的射影所 形成的．
2．正射影是平行射影中的特殊情况，平行射影也可 以认为是图形所在平面与平面 α 的夹角发生变化时的正 射影，要注意两者的区别与联系．
32
第三讲 圆锥曲线性质的探讨
3．1 平行射影
[学习目标] 1.理解几何图形在平面上的正射影、平 行射影的定义及其在平面上的正射影与平行射影的关 系． 2.了解椭圆的定义．
[知识提炼·梳理]
1．几何图形在平面上的正射影 (1)点 A 是平面 α 外一点，过点 A 向平面 α 作垂线， 设垂足为点 A′，那么把 A′称作点 A 在平面 α 的正射影． (2)一个图形 F 上的各点在平面 α 上的正射影也组成 一个图形 F′，则图形 F′称作图形 F 在平面 α 上的正射影．
温馨提示 1.直线的正射影是点或直线.2.圆的正射 影是圆、椭圆或线段．
2．几何图形在平面上的平行射影
设直线 l 与平面 α 相交，把直线 l 的方向称为投影方 向．过点 A 作平行于 l 的直线，必与平面 α 交于点 A′， 那么把点 A′称作点 A 沿直线 l 的方向在平面 α 上的平行 射影，一个图形上各点在平面 α 上的平行射影所组成的 图形称作该图形的平行射影．正射影是平行射影的特例．
又 BC∩AC＝C， 所以 PH⊥平面 ABC， 故点 H 是 P 点在平面 ABC 内的正射影．
类型 2 平行射影的判定及应用 [典例 2] 在梯形 ABCD 中，AB∥CD，若梯形不在 平面 α 内，则它在平面 α 上的平行射影是________． 解析：如果梯形 ABCD 所在平面平行于投影方向， 则梯形 ABCD 在 α 上的射影是一条线段．
射影直线和射影平面
π称为线场的底， 其上的直线称为元素.
3、一对重要的基本图形
三点形
三线形
不共线三点及其两两连线 构成的图形
不共点三直线及其两两交点 构成的图形
顶点：A, B, C 边：BC, CA, AB 记号：三点形ABC
边：a, b, c 顶点：b×c, c×a, a×b
记号：三线形abc
显然，射影基本形、三点形和三线形都在中心射影下不变
I，II为同一区域
III，IV为同一区域
(2) 拓广平面的拓扑模型
注： 默比乌斯带（ Möbius带）是射影平面的一部分。 默比乌斯带的作法：
如图，把长方形带ABAB扭转，使A与A 粘合, B与B 粘合， 这样所得的单侧曲面为默比乌斯带，其边界为一条封闭曲线。
A
B
B
A
Möbius带
三、射影基本形
点偶A,B分离点偶C,D
点偶A,B不分离点偶C,D
2、射影平面(拓广平面) (1) 拓广平面的封闭性
从两个方面理解： (i) 任一直线划分欧氏平面为两个不同的区域
任一直线不能划分拓广平面为两个不同的区域
(ii) 两条相交直线划分欧氏平面为四个不同的区域 两条相交直线划分拓广平面为两个不同的区域
在拓广平面上，可以证明：
(2) 相互平行的直线上添加的无穷远点相同, 不平行的直线上添加的无穷远点不同.
为区别起见，称平面上原有的点为有穷远点(普通点)， 记作P
注：1）无穷远点实际上是二维空间中平行直线的交点。
2）由于平面内有无数多组平行线，因此一个平面内有无数 多个无穷远点。
例：一条直线和它的平行平面相交于一个无穷远点。
C
线的中心射影必将 ABC射影
A A
第二章射影平面
第二章 射影平面§1 中心投影与无穷远元素1．研究对象：物体在灯光照射下的变化规律。
连OP ，设OP 与l '的交点为P '，则称P '为P （在中心O 下）的射影。
问题：中心投影不是数学意义下的对应。
问题产生原因：如图所示，0P 无象点（因此称为影消点），其原因是O 0P // l '，从而O 0P 与l '无交点，所以中心投影不是数学意义下的对应。
为了将中心投影纳入对应的范畴，我们必须对其进行改造。
原因分析：产生0P 无象的原因是“平行线无交点”的约定。
处理方法：取消“平行线无交点”的约定。
这必须打破常规，给平行线引入一个原先认为不存在的“不平常的点”。
如图，当2πθ→时，∞→||0P P ，以P （θ）的“极限点”作为平行直线的“交点”，记作∞P （称为无穷远点），其几何表示如图所示。
评注：上述无穷远点的引入过程是在深入研究以O 点为中心的线束中的直线与非线束中的直线的交点的基础上，来探索如何引入平行直线的交点比较合适这一问题的。
这充分地反映了继承传统与发扬广大的关系。
问题：平行直线的交点能引进几个？（参考图形，探索解答） （一个。
原因是两不同的直线只能有一个交点。
）o o无穷远点的引进是一个创新的过程，需要大胆的想象力。
而直线上的无穷远点只能引进一个则是原来的原则“两直线只有一个交点”的要求所至。
无穷远点根据研究需要而引入，又是原系统的规则的延伸，从而“无穷远点”又受到原系统的规则的“约束”，这充分体现了继承与发展的关系。
对照一维中心投影，请自行考虑二维中心投影的相应问题。
2． 无穷远元素规定一 在平面内对任何一组平行线引入唯一一点叫做无穷远点（记作∞P ）与之对应，此点在组中每一直线上而不在组外的任何直线上。
规定二 平面内无穷远点的集合是一条直线，叫做无穷远直线，记作∞l 。
规定三 空间里所有无穷远点的集合是一个平面，叫做无穷远平面，记作∞π。
21射影平面
如果两个三点形对应边的交点在一直线上，则 对应顶点的连线交于一点.
定义1.11 如果两个三点形对应边的交点共线，则
这条直线叫做透视轴．如果两个三点形对应 顶点的连线共点，则这个点叫做透视中心．
§ 1 射影直线和射影平面
１.4 德萨格(Desargues)定理
应用举例
例1 在欧氏平面上, 设ΔABC的高线分别为 AD, BE, CF. 而 BC×EF=X, CA×FD=Y, AB×DE=Z. 求证：X, Y, Z三点共线.
约定 (２)一平面内一切无穷远点的集合组成一条直线叫做 无穷远直线，记作l∞，区别起见，称平面上原有的直线为有穷 远直线(通常直线)
约定 (３) 空间里一切无穷远点的集合组成一个平面叫做无穷 远平面，记作π∞，为区别起见，空间里原有平面称为非无穷远平 面或普通平面．
总结：在平面上添加无穷远元素之后，没有破坏点与直线 的关联关系，同时使得中心射影成为一一对应.
§ 1 射影直线和射影平面
理解约定 (1), (2)
1、对应平面上每一方向，有惟一无穷远点. 平行的直线交于同 一无穷远点；交于同一无穷远点的直线相互平行.
2、每一条通常直线上有且仅有一个无穷远点.
３、不平行的直线上的无穷远点不同. 因而，对于通常直线：
平行
无穷远点
两直线 不平行 交于惟一 有穷远点
§ 1 射影直线和射影平面
一、中心射影
定义1.1 : l l'
2、平面到平面的中心射影
定义1.2 : '
均不是一一对应
中心射影不是一一对应的原因：存在影消点、影消线 存在影消点、影消线的原因：平行的直线没有交点
如何使得中心射影成为一个一一对应？
三垂线定理
三垂线定理三垂线定理在平面内的一条直线，如果和穿过这个平面的一条斜线在这个平面内
的射影垂直，那么它也和这条斜线垂直。
三垂线定理的逆定理：如果平面内一条直线和平面的一条斜线垂
直，那么这条直线也垂直于这条斜线在平面内的射影。
1,三垂线定理描述的是PO(斜线),AO(射
影),a(直线)之间的垂直关系.
2,a与PO可以相交,也可以异面.
3,三垂线定理的实质是平面的一条斜线和
平面内的一条直线垂直的判定定理.
关于三垂线定理的应用,关键是找出平面(基准面)的垂线.
2。
已知三个平面OAB，OBC，OAC相交于一点O，角AOB=角BOC=角COA=60度，求交线OA于平面OBC所成的角。
向量OA=（向量OB+向量AB），O是内心，又因为AB=BC=CA，所以OA于平面OBC 所成的角是30度。
二面角的求法
有六种：
1.定义法
2.垂面法
3.射影定理
4.三垂线定理
5.向量法
6.转化法
二面角一般都是在两个平面的相交线上，取恰当的点，经常是端点和中点。
过这个点分别在两平面做相交线的垂线，然后把两条垂线放到一个三角形中考虑。
有时也经常做两条垂线的平行线，使他们在一个更理想的三角形中。
由公式S射影=S斜面cosθ，作出二面角的平面角直接求出。
运用这一方法的关键是从图中找出斜面多边形和它在有关平面上的射影，而且它们的面积容易求得也可以用解析几何的办法，把两平面的法向量n1,n2的坐标求出来。
然后根据n1·n2=｜n1｜｜n2｜cosα，θ=α为两平面的夹角。
这里需要注意的是如果两个法向量都。
确定点到平面的射影位置的常用方法
=
3 2
.
在 Rt △A EO 中 ,
3
A O = coAs4E5°=
2 2
= 322.
2
在 Rt △A 1 A O 中 ,
A1 O =
A 1 A 2 - A D2 =
9-
9 2
= 322.
收稿日期 :2001 - 03 - 02 作者简介 :陈世明 (1963 —) ,男 ,湖南东安人 ,湖南东安一中高级教师.
方法 4 如果过平面外一点的平面的斜线与平 面内的一条直线垂直 , 那么这一点在平面上的射影 在过斜足且垂直平面内这条直线的直线上. (由三垂 线定理逆定理即可证得)
例 4 设在三棱锥 S - A B C 中 , S A , SB , S C 两
两互相垂直 , H 是 S 在底面 AB C 上的射影 , 求证 H
由斜线在平面上的射影的定义即得1985年全国高考题如图5设平面ac和bd相交于bc它们所成的一个二面角为45p为面ac为bd内的一点已知直线mq是直线pq在平面bd内的射影并且m在bcsa面sbcsabc
4
数 学 通 讯 2001 年第 12 期
确定点到平面的射影位置的常用方法
设 PO = x ,则 EO = x .
在 Rt △EM O 中 , M O = sinxθ. 又在 Rt △PM O 中 ,由勾股定理得
x2 + sinx22θ= a2 ,
∴ x = asinθ . 1 + sin2θ
再在 Rt △POQ 中 ,
PQ
=
siPnOβ=
sinβ
asinθ . 1 + sin2θ
陈世明
(东安一中 ,湖南 425900) 中图分类号 :O123 - 42 文献标识码 :A 文章编号 :0488 - 7395 (2001) 06 - 0004 - 02
正射影和三垂线定理
b
（1）、一面四线
c a
l
b
“一面四线”的不同情况
b
b
c a
l
c
l
a
b
c
l
a
a1
l
a
c
； / 整木定制 djm831zbg 五哥认真地说：“这孩子的学还没上，你就跟我讲条件，未免太早了吧，依我看还是先让他俩来上学，这些事到时候再说。” 这样一来，小荷和荷花便跟五哥家的刚刚成了同班同学，刚刚却比小荷整整大了两岁。 “爸爸，这是您给我买的吗？”小荷穿上新买的连衣裙，背着小书包，蹦蹦跳跳地跑到我跟前。 我抱起女儿，亲亲她的小脸蛋儿，然后双手举过头顶。 “我要上学了，我要上学了„„”女儿一个劲地嚷着，高兴得像只即将出笼的小鸟。 “小荷，快下来，你爸爸累了。”妻子走出内间。这时的她已怀孕八个多月了，走起路来有点吃力。 “爸爸，你累了吗？”我把女儿搂在怀里，望着她那双炯炯有神的大眼睛，高兴地说：“当然不累了，我一看到我的宝贝女 儿，我浑身就充满了力量，不知道什么叫累了。” “小荷，来，把这衣服和书包给你荷花狙送去。” “妈——，我——不——去。”小荷撒起娇来，“荷花也有爹，也有娘，凭什么总是要我们家的东西？” “小荷，这是你马大伯让爸给荷花捎的，人家已经给钱了。”我一边说一边把小荷从怀里放下来。 “老爸，你又在骗人！” “老爸才不骗人呢，再说哪有大人骗小孩的？” “有一天，我和荷花在一起玩，村里的王大娘见了，说我和荷花是亲狙妹，还说，荷花是在马天栓家寄养的„„爸，什么是 寄养？” “胡说！”我一下子被震怒了。 妻子向女儿使了个眼神，女儿心领神会的拿起衣服和书包，向我做个鬼脸儿，撅着小嘴跑了出去。 提起马天栓，我气不打一处来，真后悔交了这样一个朋友。 自从荷花到了他家，他便成了我家的“太上皇”，整天呼风唤雨的，不是荷花今天生病了，就是荷花明天想喝三鹿牌奶粉了， 也不知道提前预交的生活费究竟到哪儿去了。更可恶的是，我们全家凑钱给他买了拖拉机，我二哥带着他干了还没有两天，他 就腰疼腿疼，对二哥说，要是有个装卸工该多好啊。其实他才比我大四岁，比二哥却还小两岁呢。说他懒，这是人的本性，也 无可厚非。更可恨的是，他纯粹就是一个地地道道的无赖。就说拉沙的事吧，他不仅误了事让我受了处罚，到后来，谁想到他 竟然背着二哥把运费全支走了。二哥知道后，非要去揍他不可。我去求二哥，就是不为我，为了我的女儿荷花，也不要再去找 他，二哥气得直跺脚！ 在外界，村里村外的人们都七嘴八舌地议论着，马天栓一定是遇到贵人了，要不然就是他发了横财，若不是这样，他怎么能买 上拖拉机？吊儿郎当地跑运输的他，不出三年又怎能盖起了五间大瓦房？
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O
从平面内一点发出的 从平面外不同点发出 斜线段，长度虽然相等， 的斜线段，长度虽然相等， 但射影不一定相等。 但射影不一定相等。
∴θ＜∠AOD
斜线和平面所成的角，是这条斜线和平面内 经过斜足的直线所成的一切角中最小的角。
例题
例1.如图，AO是平面π 的斜线，AB ⊥平面π于B， OD是π内不与OB重合的直 线，∠AOB= ，∠BOD= ，∠AOD= ，求证：cos =cos cos O
A
C
B D
OB＞OC AB ＞AC O
B
C
AB=AC OB=OC AB ＞AC OB＞OC
射影相等的两条斜线段相等，射影 较长的斜线段也较长 相等的斜线段的射影相等，较长的 斜线段的射影也较长
A
定理 从平面外一
B
O
点向这个平面所引的
C
垂线段和斜线段中，
（1）射影相等的两条斜线段相等，射影较 长的斜线段也较长
练 习
3.AO与平面斜交，O为斜足，AO与平面 成角，B是A在上的射影,OD是内的 直线，∠BOD=30，∠AOD=60，则 sin =
6
3
。
练习
A
4.已知斜线段的长是它 在平面β上射影的2倍， B O 求斜线和平面β所成的 β 角。 如图，斜线段AB是其射影OB的 两倍，求AB与平面β所成的角。 5.两条平行直线和一个平面所成的角相等吗？
（2）相等的斜线段的射影相等，较长的斜 线段的射影也较长
（3）垂线段比任何一条斜线段都短
练习
1.点P是△ABC所在平 面外一点，且P点到 △ABC三个顶点距离 相等，则P点在△ABC A 所在平面上的射影是 △ABC的 心。 外
P
C
O
B
练习 2.判断下列说法是否正确
（1）两条平行直线在同一平面内的射影 一定是平行直线 （2）两条相交直线在同一平面内的射影 一定是相交直线 （3）两条异面直线在同一平面内的射影 要么是平行直线，要么是相交直线 （ （4）若斜线段长相等，则它们在平面内 的射影长也相等 （ ） ） （ ） （ ）
斜 线 在 平 面 上 的 射 影 直 线 和 平 面 所 成 的 角
X
p Q 自一点向平面引垂 线，垂足叫做这点在这 个平面上的射影；
O
这个点与垂足间的线段叫做这点到这个平 面的垂线段。
A B C
一条直线和一个平面 相交，但不和这个平面垂 直，这条直线叫做这个平 面的斜线，斜线和平面的 交点叫做斜足。 斜线上一点与斜足间 斜线上任意一点 的线段叫做这点到这个平 在平面上的射影，一 面的斜线段。 定在斜线的射影上。
O
C
B D
θ与∠AOD的大小关系如何？
A
l
θ与∠AOD的大小关系如何？ 在Rt△AOB中，
O
C B D
最小角原理 ∵AB＜AC，∴sinθ＜sin∠AOD
角。
AC 平面内任意的直线所 在Rt △AOC 中，sin AOD 成的一切角中最小的 AO
AB sin 斜线和平面所成 AO 的角，是这条斜线和
N N
作业
习题9.4第8、9、10题
a
b
a
b B
a b
A
a b
H
E F
G
D A HC与EF在平面 ABCD上的射影 分别是什么？ B
HC与FG在平面 ABCD上的射影 分别是什么？ DC与BC FG 与 EA 在平面 C ABCD上的射影 分别是什么？ BC与A点
DC与AB
A
B
N
M
平面的一条斜线和 它在平面上的射影所成 的锐角，叫做这条直线 和这个平面所成的角。
一条直线垂直与平面，它们所成的角是直角； 一条直线和平面平行，或在平面内，它们所 成的角是0 的角。
直线和平面所成角的范围一点，AB是平面 的垂线，B是垂足， OB是斜线l的射影，θ是 斜线l与平面 所成的角.
过斜线上斜足以外的一点向平面引垂线，过垂 足和斜足的直线叫做斜线在这个平面上的射影；
垂足与斜足间的线段叫做这点到平面的斜线段 在这个平面上的射影。
A
B
C D
E
从平面外一点向这个 平面所引的垂线段和斜线 段AB、AC、AD、AE… 中，那一条最短？
垂线段比任何一条斜线段都短
A
OB=OC AB=AC
如果两条直线与一个平面所成的角相 等，它们平行吗？
例2.线段MN长6厘米，M到平面β的距离是1厘 米，N到平面β的距离是4厘米，求MN与平面β所成 N 角的余弦值。 ∠MOM'就是MN与β所成的角 N M 移出图 6 M 4 N' O 1 M' N' β O M' M M O N' 1 O M' N' 移出图 M' 6 β 4