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空间垂直与射影

基础更新于 2026-09-29

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垂直的关键是找到一个平面的两条独立方向,而非只检查一条线。

线面垂直:定义、判定和性质

空间中两条直线所成角为 90∘90^\circ 时,称它们垂直;两线可以相交,也可以异面。若直线 ll 与平面 α\alpha 内的每一条直线都垂直,就称 ll 垂直于 α\alpha,记作 l⊥αl\perp\alpha。直线与平面的交点称为垂足。

判定定理

若 a,b⊆αa,b\subseteq\alpha 是两条相交直线,且 l⊥a,l⊥bl\perp a,l\perp b,则 l⊥αl\perp\alpha。

设 a,ba,b 的方向向量为 u,v\mathbf u,\mathbf v,ll 的方向向量为 w\mathbf w。因为 a,ba,b 相交,u,v\mathbf u,\mathbf v 不共线,平面内任一方向都能表示成 su+tvs\mathbf u+t\mathbf v。于是

w⋅(su+tv)=s(w⋅u)+t(w⋅v)=0.\mathbf w\cdot(s\mathbf u+t\mathbf v) =s(\mathbf w\cdot\mathbf u)+t(\mathbf w\cdot\mathbf v)=0.

这正说明 ll 垂直平面内的所有方向。两条平行线只提供一个方向,不能替代判定中的两条相交直线。

两条常用性质

(1) 两条不同直线若垂直于同一个平面,则它们平行。

(2) 两条直线平行,且其中一条垂直于某平面,则另一条也垂直于该平面。

第一条来自平面法向方向的唯一性:若两个非零向量都垂直平面内的两个独立方向,它们必共线。第二条来自平行直线具有相同的方向,因此与平面内任意方向的数量积都为零。

面面垂直:定义、判定和性质

两个相交平面组成的二面角为直二面角时,称它们垂直。二面角的平面角由两个面内、同垂直于交线的射线构成。

判定: 一个平面含有另一个平面的垂线,则两平面垂直。设 l⊆α,l⊥βl\subseteq\alpha,l\perp\beta,交线为 cc。在 β\beta 内过垂足作 cc 的垂线 mm;ll 本身也垂直 cc,所以 l,ml,m 构成二面角的平面角,而 l⊥ml\perp m,该角为直角。

性质: 若 α⊥β\alpha\perp\beta,交线为 cc,则 α\alpha 内垂直于 cc 的直线 ll 垂直于 β\beta。因为 ll 垂直 cc,又由直二面角垂直于 β\beta 内过交点且垂直 cc 的直线;线面垂直判定即得结论。

因此,过 α\alpha 内任意一点作 β\beta 的垂线,该垂线仍在 α\alpha 内:在 α\alpha 内先作 cc 的垂线,按上述性质它就是所求垂线。不能把这个结论误读为“α\alpha 内任意直线都垂直 β\beta”。

三垂线定理的向量解释

设斜线段 PAPA 到平面的正射影为 OAOA,其中 POPO 垂直平面。对平面内方向向量 u\mathbf u,

PA→⋅u=(PO→+OA→)⋅u=OA→⋅u.\overrightarrow{PA}\cdot\mathbf u=(\overrightarrow{PO}+\overrightarrow{OA})\cdot\mathbf u =\overrightarrow{OA}\cdot\mathbf u.

故该方向垂直斜线当且仅当垂直其非零射影。若射影为零,则原线已垂直平面,应直接处理。

例

若 PA⊥PA\perp 平面 ABCABC 且 AB⊥BCAB\perp BC,则 BCBC 同时垂直 PA,ABPA,AB 两个相交方向,所以 BC⊥BC\perp 平面 PABPAB,进而 BC⊥PBBC\perp PB。

判断条件为什么不能省略

平面 z=0z=0 内两条沿 yy 方向的平行直线,都与 xx 轴垂直,但 xx 轴在该平面内,并不垂直于平面。这说明线面垂直判定必须检查两个独立方向。

平面 x=0x=0 与 z=0z=0 垂直,交线是 yy 轴。前一平面中的 zz 轴垂直于后一平面;但 yy 轴在两个平面内。因此面面垂直性质必须加上“面内直线垂直交线”。

应用时先标出两平面的交线,再在指定平面内找到与交线垂直的直线;如果图上没有直接给出,应通过平面几何或数量积证明。

易错点

两条直线同垂直一条直线,在空间中不一定平行;两条直线同垂直一个平面才平行。

关联阅读

先修:空间位置关系与平行 · 数量积、夹角与投影。

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