北京西城长安中学17-18点到平面距离的若干典型求法

1、点到平面距离的若干典型求法目录1. 引言 12. 预备知识 13. 求点到平面距离的若干求法 33.1 定义法求点到平面距离 33.2 转化法求点到平面距离 53.3 等体积法求点到平面距离 73.4 利用二面角求点到平面距离 83.5 向量法求点到平面距离 93.6 最值法求点到平面距离 113.7 公式法求点到平面距离 131 .引言求点到平面的距离是高考立体几何部分必考的热点题型之一，也是学生较难准确把握难 点问题之一。点到平面的距离的求解方法是多种多样的， 本讲将着重介绍了几何方法（如体 积法，二面角法）、代数方法（如向量法、公式法）及常用数学思维方法（如转化法、最值 法）等角度等七种

2、较为典型的求解方法，以达到秒杀得分之功效。2.预备知识（1）正射影的定义：（如图1所示）从平面外一点P向平面引垂线，垂足为P，则点P叫 做点P在平面上的正射影，简称为射影。同时把线段 PP叫作点P与平面的垂线段。 点到平面距离定义：一点到它在一个平面上的正射影的距离叫作这点到这个平面的距离， 也即点与平面间垂线段的长度。(3) 四面体的体积公式1V Sh3其中V表示四面体体积，S、h分别表示四面体的一个底面的面积及该底面所对应的高。(4) 直线与平面垂直的判定定理：一条直线与一个平面内的两条相交直线垂直，则该直线与此 平面垂直。(5) 三垂线定理：在平面内的一条直线，如果它和这个平面的一条斜线

3、的射影垂直，那么它和这条斜线也垂直。(6) 二面角及二面角大小：平面内的一条直线I把平面分为两部分，其中的每一部分都叫做半平面，从一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，每个半平面叫做二面角的面。图2所示为平面与平面1所成的二面角，记作二面角:，其中I为二面角的棱。如图在棱I上任取一点0，过点0分别在平面及 平面1上作I的垂线0A、0B，则把平面角 AOB叫作二面角:-的平面角，.AOB的 大小称为二面角:- 一：的大小。在很多时候为了简便叙述，也把.AOB称作与平面1所 成的二面角。空间向量内积：、，、呻屮代数定义：设两个向量3=(为，,习)，b=(x2,y

4、2,Z2)，则将两个向量对应分量的乘积之和 定义为向量a与b的内积，记作a|_b，依定义有Ojb =x1x2 y1y2 z1z2几何定义：在欧几里得空间中，将向量a与b的内积直观地定义为0_b =| a |b | cos ： a, b .,向量内积的这里凶、简分别表示向量a、b的长度，：a,b.表示两个向量之间的夹角。几何意义为一个向量的模与另一个向量在这个向量正方向上投影向量模的乘积。当:&b =90，即 a_b 时，0_b =| ；|b | cos ： a,b =| a |b |cos900 = 0。由余弦定理2OQ, C =PQ如图3所示，设0、P、| c |2 =| a |2| b |

5、2 -2 | a | b | cos ： a, bF面说明这两种定义是等价的。再设 a=（为，yi,zj， b=（X2,y2,z2），贝U c =（ -冷，y? - 如，互一乙） 从而有(X2 -Xi)2(y2-yj2(Z2-zj2 = x2y；z2X；yfz2-2| a |b |cos ： a,b -即経 丫2 征=| a |b | cos ： a, b这就证得了两个定义是等价的。3求点到平面距离的若干求法3.1定义法求点到平面距离（直接法）定义法求点到平面距离是根据点到平面的定义直接作出或者寻找出点与平面间的垂线段，进而根据平面几何的知识计算垂线段长度而求得点与平面距离的一种常用方法。定义

6、法求点到平面距离的关键在于找出或作出垂线段，而垂线段是由所给点及其在平面射影间线 段，应而这种方法往往在很多时候需要找出或作出点在平面的射影。以下几条结论常常作为寻找射影点的依据：两平面垂直的性质定理：如果两个平面互相垂直，那么在一个平面内垂直于他们交线的 直线垂直于另一个平面。(2) 如果一个角所在平面外一点到角的两边的距离相等，那么这个点在该平面内的射影在 这个角的角平分线所在的直线上。(3) 经过一个角的顶点引这个角所在平面的斜线。设斜线和已知两边的夹角为锐角且相等， 则这条斜线在这个平面的射影是这个角的角平分线。(4) 若三棱锥的三条棱长相等，则顶点在底面上的射影是底面三角形的外心。例

7、 如图4所示，所示的正方体ABCD ABC 棱长为a，求点A到平面AB D的距离。(注: 本文所有解法均使用本例)图4解法一(定义法):如图5所示，连结交BD 于点E，再连结AE，过点A作A H垂直于AE，垂足为H，下面证明 AH 平面AB D。AB图5v AA 平面 A B C DBD _ AA又：在正方形ABC D 中，对角线BD_AC ，且AAflACAAA 平面AAE, AC 平面AAE.由线面垂直的判定定理知道 B D 平面AAEv AH 平面AA EAH _ BD又由AH的作法知道AH _ AE，且有BD AE = E ,B D 平面ABD , AE 平面ABD.由线面垂直的判定定

8、理知道 AH_平面ABD根据点到平面距离定义，A H的长度即为点A到平面AB D的距离，下面求AH的长度.AB D 中，容易得到ABBDA =、.2a，从而.AB D为正三角形，.ABD = 6O0。进而在 Rt AB E 中，AE = AB sin . AB D =2asin 6O01 1由 s aaE AA AE AE A H 得到aV21aa*ae aaacAEAH 二 AA 2 AE3从而A到平面ABD 的距离为一 a。33.2转化法求点到平面距离或者由直接法作出的射影有时候限于几何体的形状，不易直接寻找出点在平面的射影, 线段在所给几何体中不易计算其长度，此时转化法不失为一种有效的方

9、法。转化法即是将点 到平面的距离转化为另一点到平面间的距离的方法。转化法依据主要有以下两点:(1)若直线I /平面，则直线I上所有点到平面的距离均相等。 若直线AB与平面交于点M，则点A、B到平面的距离之比为AM : BM。特别地， 当M为AB中点时，A、B到平面的距离相等。下面用转化法重解上面例题解法二(转化法)如图6所示，连结AC、AC、AC、AB、AB，AC交BD于点E，连结AE交AC 于点H，延长A C至点G使得C G = 1 A C ，连结CG 。2DfAB图6v CB _ 平面 AAB B从而斜线AC在平面AABB的射影为ABv AB、AB 为正方形AABB对角线.AB _AB ,

10、.由三垂线定理知道AB： AC同理可以得到AD 1AC又；AB AD j，AB 平面 ABD，AD 平面 ABDA C _平面AB D AH _平面ABD，即点H为A在平面AB D的射影，AH的长度为所求11v AC/AC 即 AC/EG，且 EG =EC C G AC A C = A C = AC2 2四边形ACGE为平行四边形AE/CG在ACG由等比性质有AH AE 1AC EG 3AH =-AC3而在正方体 ABCD -A BCD冲对角线AC A A2 AB2 BC2二.3a3在本例中，未直接计算垂线段 AH的长度，而是找出了其与正方体 ABCD-ABCD，中 对角线A C的数量关系，从

11、而转化为求正方体 ABCD -ABCD，对角线A C长度，而AC长度是极易计算的，故用这种转化方法降低了运算量。本例运用的转化方法与依据(2)类似，都是寻求所要求的垂线段与某一已知或易求线段的数量关系，从而简化计算。3.3等体积法求点到平面距离用等体积法求点到平面的距离主要是一个转换的思想，即要将所要求的垂线段置于一 个四面体中，其中四面体的一个顶点为所给点，另外三点位于所给点射影平面上，这里不 妨将射影平面上的三点构成的三角形称为底面三角形。先用简单的方法求出四面体的体积， 然后计算出底面三角形的面积，再根据四面体体积公式v=2sh求出点到平面的距离h。在3常规方法不能轻松获得结果的情况下，

12、如果能用到等体积法，则可以很大程度上提高解题效 率，达到事半功倍的效果。特别是遇到四面体的有一条棱垂直于其所相对的底面时，首选此方法。下面用等体积法求解上面例子.解法三(等体积法)：如图7所示，作A H垂直于平面AB D 于点H，则AB D长度为所 求。对于四面体AABD ，易见底面ABD 的高为AH，底面ABD 的高为AA。对四面体 AABD 的体积而言有：Va BD - Vaab D 11即有：AA S aBd A H S abd 3 3也即：AH=AA SABDs心b D 由ABBDA，从而 ABD 为正三角形，.AB D丄60，进而可求得Sabd =1aB AD sin ABD W（

13、2a）2sin60 二于a2又易计算得到Rt AB D 的面积为S .ABDa2所以 AH =AA s abdS AB1 2 _a a2丄3我们在使用等体积法求点到平面距离时使用的点与平面间的垂线段只是概念上的,不一定要知道点在平面射影的具体位置，从而也就不需要使用几何方法寻找或者求作垂线 段，垂线段的长度在这种方法上只是作为几何体高的意义而存在的。3.4利用二面角求点到平面距离如图8所示，I为二面角-1 - 的的棱，.AOB为二面角-1 - 1的一个平面角。下0A _ I、OB _ I又；0A“0B =0I -平面A0B又t BH 平面A0BBH _1又；BH _0A，0Ani=0，0A 二

14、平面：，I-平面： BH _平面:-在RVQBH中，有BH =0Bsin B0H 这个公式就建立点到平面距离与二面角的一个数量关系。 从而如果能将点与平面置于一个二 面角中，则可利用通过所给点关于平面的一条斜线及二面角计算点与平面间的距离。下面利用二面角法求解上面例子。解法四（二面角法）：如图9所示，连结A B、AB，A B与AB相交于点0 ,连结D Ov AB与AB 为正方形ABB A的对角线二AB丄ABH （即AO丄AB 0为ABH中点又 v ABD 中 AD ： = BDD 0 _ AB-AOD 为二面角A -AB -D 的平面角设A到平面AB D的距离为d，0A是过点A的关于平面AB

15、D的一条斜线，又上面 得到的公式有d =OAsin AOD易见，DA 平面ABBA，从而DAlOA.在Rt AOD 中有tan NA OD =-AD = f = 42oa42a2从而点A到平面ABD 的距离为d = OA sin _AOD asin（arctan、2）=3.5向量法求点到平面的距离向量法求点到平面的距离主要是依据如下结论：点到平面的距离等于这个与平面上任 一点所连接的向量与该平面法向量方向上的单位向量数量积的绝对值。证明：如图10所示，P为平面：外一点，Q为平面上任意一点，P0 平面于点0,n为平面：.的单位法向量PQn斗 pqn cos =iPQicos pQ_n.|PO|=

16、| PQfcos. QPO =|PO 冃 PQn |这个公式将点到平面的距离转化为了过所给点的任意斜线上的起点和终点分别在所给 点及所给平面上一点的向量与平面法单位法向量的内积。F面用向量法从新求解上面例子解法五(向量法)如图11所示以D点为原点，DA，DC，DD所在的正方向分别x, y，z轴的正方向建立空间直角坐标系图11由所给条件知道坐标点 A(a,0,0)、A(a,0,a)，B (a,a,a)，D (0,0, a)，从而有 AB(0,a,a)，AD(-a,0,a)，AA：(0,0, a)。设平面ABD的任意一个法向量为n0=(x,y,z),则有n0 _ AB，n0 _ AD ,即代入已知

17、得到ay az = 0-ax az = 0这是一个关于x, y, z的不定方程，为了方便起见，不妨设 z=1，这样上式变为ay a = 0-ax a = 0解该式得到x =1,y - 一1这样就得到平面ABD 的一个法向量为，将其单位化得到平面 AB D的一4个单位法向量为；二！，_）。设点A到平面ABD的距离为d，结合式所给 m | V3 V3 V3出的结论有d =| 人人|=|010a -t |3V3v3v3 3即点A到平面ABD的距离为山。3用向量法求解点到平面的距离比之前面提供的几种几何方法而言，这种方法不需要大量的几何证明，而主要是较为机械地进行代数运算。因而在实际使用这种方法时，第

18、一步建立 空间直角坐标系常常成为最为关键的步骤，如果所建立的坐标系不能确定所给几何图形中关 键点（所给平面外点及所给平面上不共线的任意三个点）在建立的坐标系的坐标，则无法进 行后续步骤；如果所建立的坐标系虽然能够表示的关键点的坐标，但在所建立的坐标系中得 到关键点坐标的计算过程复杂，或者得到的关键点坐标表达式复杂， 都将会导致繁琐的的计 算。因此，选择恰当的直角坐标系对于使用本方法及简化计算都是相当重要的。3.6利用最值求点到平面距离在介绍最值法之前，先介绍一个简单的知识，即点到平面的距离是点与平面上任意点连 线的最小值。以下对这点做简要说明。如图12所示，平面外一点P在平面的射影为点P ,

19、Q为平面上任意一点若Q不与P重合，则PQ = 0 , PPQ构成三角形。因PP1平面:,P Q 平面PPI PQ ,三角形PPQ为直角三角形，从而由勾股定理有PQ PP2 PQ2 PP这样就证得了结论有了上面这个结论，那么只要找到平面外一点到平面上任意一点的距离的函数表示，再求出该函数的最小值，则由上面结论即可知该最小值即为点到平面的距离。一般构造函数没有确定的方法，不同的角度构造出的函数表示很可能是不一样的， 不过这并不影响最终结果。 下面用常用的向量构造方法构造函数求解上面例子中点到平面的距离.解法六(最值法)如图13所示，E为平面ABD上任意一点，以D点为原点，DA，DC， -HDD所在

20、的正方向分别x，y，z轴的正方向建立空间直角坐标系。图13由所给条件知道A(a,0,0)、A(a,0,a)，B(a,a, a)，D (0,0, a)从而有 AB =(0,a,a)AD 十a,0, a)，AA = (0,0,设点E在所建立的坐标系下的坐标为E(x,y,z)，因E在平面ABD 上，从而向量AE =（x -a, y,z）可由相交向量AB、AD 线性表示,不妨设AE二 AB AD则因此AE = AA AE 二 AB AD（a ）2 （a，aa）2二 a. 2-2 22 2- 2 -211 2 , 1 2 1, ,1 1f2（ 一3）2（一 3）2（ W）3-3a1（当且仅当时取等号）3

21、3R从而A到平面ABD 上点的距离最小值为 a，也即点A到平面AB D的距离为 a。33最值方法提供了求解点到平面距离的一种较为新颖的方法，同时这种方法是建立在对点到平面距离的深入理解的基础上的，也有助于加深理解点到平面距离的概念。不过这种方 法对使用者的代数知识素养要求较高，要将几何图形中的几何关系转化为代数关系，构造 出平面外点到平面上点的函数关系，而且对函数最值的求法也需要较高的变形技巧，否则 即使构造出平面外点到平面上点的函数关系也难求出函数最值，故一般这种方法对水平较 高的读者比较适用。3.7利用点到平面的距离公式求点到平面的距离点到平面的距离公式主要是利用解析几何的知识，将所给点及

22、平面均给予代数表式，从 而用代数方法得到的点与平面距离的统一的代数表示。 点到平面的距离公式的推导方法有相 当多，如直接用两点间距离公式推导、利用直线参数方程中参数的几何性质推导、 利用球的 切平面性质推导、利用极值法推导等等。公式法的实质是几何量代数化的结果，因此绝大多 数求解点到平面距离的几何方法转化为代数语言都可以得到一般意义上的点到平面的距离 公式。限于本文篇幅，就不对这些方法一一介绍了，下面仅从利用两点间距离公式的角度给 出点到平面的距离公式一种推导。如图14所示，平面外一点P在平面的射影为点P在某空间直角坐标系下，设平面 :的代数方程为：Ax By Cz 0P(xo, yo,zo)

23、0将平面的方程改写为，点P的坐标为A(x -X。) B(y y) C(z - Zo) = -(Ax。 By。 Cz D)又由PP _平面及直线PP过点P(x), y0,z0)知道直线PP的方程为X - Xoy - yo Z - ZoF面不妨设x 一 xy - y4=t将代入中得到 Ax. Byo Czo D2 2 2ABC显然P 的坐标P (x, y, z)在直线PP 上，从而满足，即有x -x0 = AtA(AXo By。Czo D)A2 B2 C2y 一 yo = BtB(Axo Byo Czo D)A2 B2 C2C(Ax。 Byo Czo D)A2 B2 C2进而根据两点间的距离公式d =|PP F .,(x-xo)2 (y-y。)2 (y-y。)2(A2 B2 C2)(Axo Byo Cz D)2(A2 B2 C2)2| Axo By。Czo D |.A2 B2