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17立体几何初步★★★☆☆
已知正四棱柱 ABCD−A1B1C1D1ABCD-A_1B_1C_1D_1,AB=1AB=1,AA1=2AA_1=2,EE 为 CC1CC_1 中点,FF 为 BD1BD_1 中点.
(1) 证明:EFEF 为 BD1BD_1 与 CC1CC_1 的公垂线; (2) 求点 D1D_1 到面 BDEBDE 的距离.
\begin{solution} 建立空间直角坐标系,取 AA 为原点,令 ABAB,ADAD,AA1AA_1 分别为三个坐标轴的正方向,则 A=(0,0,0)A=(0,0,0),B=(1,0,0)B=(1,0,0),C=(1,1,0)C=(1,1,0),D=(0,1,0)D=(0,1,0),A1=(0,0,2)A_1=(0,0,2),B1=(1,0,2)B_1=(1,0,2),C1=(1,1,2)C_1=(1,1,2),D1=(0,1,2)D_1=(0,1,2). 由中点坐标公式,得 E=(1,1,1)E=(1,1,1),F=(12,12,1)F=\left(\frac12,\frac12,1\right).
\begin{enumerate} \item 直线 BD1BD_1 的一个方向向量为 (−1,1,2)(-1,1,2),直线 CC1CC_1 的一个方向向量为 (0,0,2)(0,0,2),而
EF→=(−12,−12,0)\overrightarrow{EF}=\left(-\frac12,-\frac12,0\right)
于是 EF→⋅(−1,1,2)=0\overrightarrow{EF}\cdot(-1,1,2)=0,EF→⋅(0,0,2)=0\overrightarrow{EF}\cdot(0,0,2)=0. 又因为 F∈BD1F\in BD_1,E∈CC1E\in CC_1,所以 EFEF 分别垂直于 BD1BD_1 和 CC1CC_1,并且与这两条直线相交,故 EFEF 是 BD1BD_1 与 CC1CC_1 的公垂线.
\item 平面 BDEBDE 内有两个不共线向量 BD→=(−1,1,0)\overrightarrow{BD}=(-1,1,0),BE→=(0,1,1)\overrightarrow{BE}=(0,1,1). 取它们的向量积,得平面 BDEBDE 的一个法向量
BD→×BE→=(1,1,−1)\overrightarrow{BD}\times\overrightarrow{BE}=(1,1,-1)
所以平面 BDEBDE 的方程为
x+y−z−1=0x+y-z-1=0
点 D1=(0,1,2)D_1=(0,1,2) 到平面 BDEBDE 的距离为
∣0+1−2−1∣12+12+(−1)2=23=233\frac{|0+1-2-1|}{\sqrt{1^2+1^2+(-1)^2}} =\frac{2}{\sqrt3}=\frac{2\sqrt3}{3}
\end{enumerate} \end{solution}

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