前情概要
如果没有笛卡尔平面直角坐标系,那么涉及平面向量的问题只能用基向量的方法[形的角度]求解,不能用代数方法[数的角度]计算;同理如果没有空间直角坐标系的介入,立体几何中的问题也就只能从形的角度思考,而不能用代数方法[数的角度]来计算;所以建系的目的主要是想把有关形的问题,通过代数的方法计算解决;
本博文旨在总结立体几何中常见几何体的建系方法和类型,比如正四面体中、正三棱柱中、四棱锥等中的建系方法,坐标计算方法等,便于学习。而且我们应该知道,当建立的坐标系不同时,计算的难度是不一样的。
建系汇总
- 平面问题中若涉及平面向量的计算问题,常可以建立平面直角坐标系;
分析:求向量的内积的取值范围,应该想到用内积的坐标运算,本题目难点是一般想不到主动建系,由形的运算转化为数的运算。
解:如图所示,以点\(C\)为坐标原点,分别以\(CB、CA\)所在的直线为\(x、y\)轴建立如同所示的坐标系,则 \(C(0,0)\),\(A(0,3)\),\(B(3 ,0)\),设点\(N\)的横坐标为\(x\),则由等腰直角三角形可知,点\(N\)的纵坐标为\(3-x\),即点\(N(x,3-x)\),
又由\(MN=\sqrt{2}\),计算可知点\(M(x-1,4-x)\),则\(\overrightarrow{CM}=(x-1,4-x)\),\(\overrightarrow{CN}=(x,3-x)\),
由于点\(M,N\)是动点,取两个极限位置研究\(x\)的取值范围,
当点\(M\)位于点\(A\)时,\(x\)取到最小值\(1\),当点\(N\)位于点\(B\)时,\(x\)取到最大值\(3\),即\(1\leq x\leq 3\),
则\(\overrightarrow{CM}\cdot \overrightarrow{CN}=f(x)=(x-1,4-x)\cdot (x,3-x)\)
\(=x(x-1)+(4-x)(3-x)=2(x-2)^2+4\),\(x\in [1,3]\)
当\(x=2\)时,\(f(x)_{min}=f(2)=4\),当\(x=1\)或\(x=3\)时,\(f(x)_{max}=f(1)=f(3)=6\),
即\(f(x)\in [4,6]\)。故选\(D\)。
【解后反思】对于以图形为背景的向量数量积运算的题目,只需把握图形的特征,建立适当的平面直角坐标系,写出相应点的坐标即可求解。
法1:向量法,由题目可知,\(\angle AOB=120^{\circ}\),\(|\overrightarrow{OA}|=|\overrightarrow{OB}|=1\),
则\(|2\overrightarrow{OA}+3\overrightarrow{OB}|=\sqrt{|2\overrightarrow{OA}+3\overrightarrow{OB}|^2}\)
\(=\sqrt{4|\overrightarrow{OA}|^2+9|\overrightarrow{OB}|^2+2\times 2\times 3\times \overrightarrow{OA}\cdot \overrightarrow{OB}}\)
\(=\sqrt{4+9+2\times 2\times 3\times 1\times 1\times (-\cfrac{1}{2})}=7\),故\(|2\overrightarrow{OA}+3\overrightarrow{OB}|=\sqrt{7}\)。
法2:坐标法,已知\(A(\cfrac{\sqrt{3}}{2},\cfrac{1}{2})\),\(B(-\cfrac{\sqrt{3}}{2},\cfrac{1}{2})\),则\(\overrightarrow{OA}=(\cfrac{\sqrt{3}}{2},\cfrac{1}{2})\),
\(\overrightarrow{OB}=(-\cfrac{\sqrt{3}}{2},\cfrac{1}{2})\),则\(2\overrightarrow{OA}+3\overrightarrow{OB}=(-\cfrac{\sqrt{3}}{2},\cfrac{5}{2})\),
故\(|2\overrightarrow{OA}+3\overrightarrow{OB}|=\sqrt{(-\cfrac{\sqrt{3}}{2})^2+(\cfrac{5}{2})^2}=\sqrt{7}\)。
法3:解三角形法,由向量的平行四边形法则可知,所求的模长即\(\triangle OCD\)中的边长\(|OC|\),由已知\(|OD|=3|OB|=3\),\(|CD|=2|OA|=2\),\(\angle ODC=60^{\circ}\),
由余弦定理可知\(|2\overrightarrow{OA}+3\overrightarrow{OB}|^2=|OC|^2=2^2+3^2-2\times2\times 3\times cos60^{\circ}=7\),
故\(|2\overrightarrow{OA}+3\overrightarrow{OB}|=\sqrt{7}\)。
法1:从形的角度思考,采用坐标法求解;以点\(A\)为坐标原点建立如图所示的直角坐标系,
则可知\(A(0,0)\),\(B(0,-2)\),\(C(4,-2)\),\(D(4,0)\),设\(E(x,y)\),
则由\(k_{AE}\cdot k_{BD}=-1\),可得\(y=-2x\)①,又直线\(BD:2y=x-4\)②,
联立①②可得,\(x=\cfrac{4}{5}\),\(y=-\cfrac{8}{5}\),
则\(\overrightarrow{AE}\cdot \overrightarrow{AC}=(\cfrac{4}{5},-\cfrac{8}{5})\cdot (4,-2)=\cfrac{32}{5}\),故选\(C\).
法2:本题目是否还可以用基向量法,以\(\overrightarrow{AB}\)和\(\overrightarrow{AD}\)为基向量来表示其他向量,待思考;