题目内容

【题目】在四棱锥中,平面平面,底面为梯形,,,且,,.

(I)求证:;

(II)求二面角_____的余弦值;

从①,②,③这三个条件中任选一个,补充在上面问题中并作答.注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分.

(III)若是棱的中点,求证:对于棱上任意一点,与都不平行.

【答案】(I)见解析(II)见解析(III)见解析

【解析】

(I)根据面面垂直的性质及线面垂直的判定定理,可证明平面,进而证明;

(II)在平面内过点D作,交于H,以D为原点,所在直线分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,写出各个点的坐标,并求得各平面法向量,由法向量法即可求得各二面角的大小;

(III)假设棱BC上存在点F,.设表示出,,设,可得关于的方程组,方程组无解即可确定与不平行.

(I)证明:因为平面平面,平面平面,

平面,,

所以平面,

又因为平面,

所以.

(Ⅱ)选择①:在平面内过点D作,交于H.

由(I)可知,平面,所以.

故两两垂直,

如图,以D为原点,所在直线分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,

则.

因为平面,所以平面的一个法向量为.

而,,

设平面的一个法向量为

则由,得,

取,有.

所以.

由题知二面角为锐角,

故二面角的余弦值为.

选择②:(下面给出关键点供参考,若与上面建系相同,)

平面ABCD的一个法向量为;

平面PBD的一个法向量为;

二面角为钝角:二面角的余弦值为.

选择③:(下面给出关键点供参考,若与上面建系相同,)

平面ABCD的法向量;

平面PBC的法向量;

二面角为锐角;二面角的余弦值为.

(Ⅲ)假设棱BC上存在点F,.设.

依题意,可知,,

,,

,,设,

则,而此方程组无解,

故假设不成立,所以结论成立.

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