综合练习题

一、向量运算

题1

已知向量 a⃗=(1,2,3)\vec{a} = (1, 2, 3),b⃗=(2,−1,1)\vec{b} = (2, -1, 1),求:(1) a⃗⋅b⃗\vec{a} \cdot \vec{b};(2) a⃗×b⃗\vec{a} \times \vec{b};(3) a⃗\vec{a} 与 b⃗\vec{b} 的夹角余弦;(4) 以 a⃗,b⃗\vec{a}, \vec{b} 为邻边的平行四边形面积。

参考答案
数量积向量积夹角平行四边形面积
  1. (1) 数量积:a⃗⋅b⃗=1×2+2×(−1)+3×1=2−2+3=3\vec{a} \cdot \vec{b} = 1\times2 + 2\times(-1) + 3\times1 = 2 - 2 + 3 = 3
  2. (2) 向量积:a⃗×b⃗=∣i⃗j⃗k⃗1232−11∣=(2×1−3×(−1),3×2−1×1,1×(−1)−2×2)=(5,5,−5)\vec{a} \times \vec{b} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 1 & 2 & 3 \\ 2 & -1 & 1 \end{vmatrix} = (2\times1-3\times(-1), 3\times2-1\times1, 1\times(-1)-2\times2) = (5, 5, -5)
  3. (3) ∣a⃗∣=1+4+9=14|\vec{a}| = \sqrt{1+4+9} = \sqrt{14},∣b⃗∣=4+1+1=6|\vec{b}| = \sqrt{4+1+1} = \sqrt{6} cos⁡θ=a⃗⋅b⃗∣a⃗∣∣b⃗∣=3146=384=3221=2114\cos\theta = \frac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{|\vec{a}||\vec{b}|} = \frac{3}{\sqrt{14}\sqrt{6}} = \frac{3}{\sqrt{84}} = \frac{3}{2\sqrt{21}} = \frac{\sqrt{21}}{14}
  4. (4) 面积 S=∣a⃗×b⃗∣=25+25+25=75=53S = |\vec{a} \times \vec{b}| = \sqrt{25+25+25} = \sqrt{75} = 5\sqrt{3}

答案:(1) 33;(2) (5,5,−5)(5, 5, -5);(3) 2114\frac{\sqrt{21}}{14};(4) 535\sqrt{3}。

题2

已知 a⃗=(1,1,0)\vec{a} = (1, 1, 0),b⃗=(1,0,1)\vec{b} = (1, 0, 1),c⃗=(0,1,1)\vec{c} = (0, 1, 1),求混合积 [a⃗,b⃗,c⃗][\vec{a}, \vec{b}, \vec{c}],并判断三个向量是否共面。

参考答案
混合积共面行列式向量积
  1. 混合积 [a⃗,b⃗,c⃗]=(a⃗×b⃗)⋅c⃗=∣110101011∣[\vec{a}, \vec{b}, \vec{c}] = (\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{c} = \begin{vmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 \end{vmatrix}
  2. =1(0×1−1×1)−1(1×1−1×0)+0(1×1−0×0)=1(−1)−1(1)+0=−2= 1(0\times1-1\times1) - 1(1\times1-1\times0) + 0(1\times1-0\times0) = 1(-1) - 1(1) + 0 = -2
  3. 因为混合积 [a⃗,b⃗,c⃗]=−2≠0[\vec{a}, \vec{b}, \vec{c}] = -2 \neq 0,所以三个向量不共面。

答案:混合积为 −2-2,三个向量不共面。

二、空间平面与直线

题3

求过点 P(1,2,3)P(1, 2, 3) 且与平面 2x−y+3z=52x - y + 3z = 5 平行的平面方程。

参考答案
平面方程平行平面法向量
  1. 已知平面的法向量为 n⃗=(2,−1,3)\vec{n} = (2, -1, 3)
  2. 所求平面与已知平面平行,故法向量相同
  3. 由点法式:2(x−1)−1(y−2)+3(z−3)=02(x-1) - 1(y-2) + 3(z-3) = 0
  4. 展开:2x−2−y+2+3z−9=02x - 2 - y + 2 + 3z - 9 = 0,即 2x−y+3z−9=02x - y + 3z - 9 = 0

答案:平面方程为 2x−y+3z=92x - y + 3z = 9。

题4

求过点 P(1,0,−1)P(1, 0, -1) 且与直线 x−21=y+12=z−1\frac{x-2}{1} = \frac{y+1}{2} = \frac{z}{-1} 平行的直线方程,并求该直线与平面 x+y+z=1x + y + z = 1 的交点。

参考答案
直线方程方向向量直线与平面交点参数方程
  1. 已知直线的方向向量为 s⃗=(1,2,−1)\vec{s} = (1, 2, -1)
  2. 所求直线过点 P(1,0,−1)P(1, 0, -1),方向向量相同,对称式方程为: x−11=y2=z+1−1\frac{x-1}{1} = \frac{y}{2} = \frac{z+1}{-1}
  3. 参数方程:x=1+tx = 1+t,y=2ty = 2t,z=−1−tz = -1-t
  4. 代入平面方程:(1+t)+2t+(−1−t)=1(1+t) + 2t + (-1-t) = 1,即 2t=12t = 1,t=12t = \frac{1}{2}
  5. 交点坐标:x=1+12=32x = 1+\frac{1}{2} = \frac{3}{2},y=1y = 1,z=−1−12=−32z = -1-\frac{1}{2} = -\frac{3}{2}

答案:直线方程为 x−11=y2=z+1−1\frac{x-1}{1} = \frac{y}{2} = \frac{z+1}{-1};与平面交点为 (32,1,−32)(\frac{3}{2}, 1, -\frac{3}{2})。

题5

求点 P(1,2,3)P(1, 2, 3) 到平面 2x−y+2z+4=02x - y + 2z + 4 = 0 的距离。

参考答案
点到平面距离距离公式法向量
  1. 点到平面距离公式:d=∣Ax0+By0+Cz0+D∣A2+B2+C2d = \frac{|Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}
  2. d=∣2×1−1×2+2×3+4∣4+1+4=∣2−2+6+4∣3=103d = \frac{|2\times1 - 1\times2 + 2\times3 + 4|}{\sqrt{4+1+4}} = \frac{|2-2+6+4|}{3} = \frac{10}{3}

答案:距离为 103\frac{10}{3}。

三、空间位置关系与角度

题6

判断直线 x−12=y−21=z−3−1\frac{x-1}{2} = \frac{y-2}{1} = \frac{z-3}{-1} 与平面 x+y+z=6x + y + z = 6 的位置关系,若相交求交点和夹角。

参考答案
直线与平面位置关系线面角交点
  1. 直线方向向量 s⃗=(2,1,−1)\vec{s} = (2, 1, -1),平面法向量 n⃗=(1,1,1)\vec{n} = (1, 1, 1)
  2. s⃗⋅n⃗=2+1−1=2≠0\vec{s} \cdot \vec{n} = 2+1-1 = 2 \neq 0,故直线与平面相交(不平行)
  3. 参数方程:x=1+2tx = 1+2t,y=2+ty = 2+t,z=3−tz = 3-t
  4. 代入平面:(1+2t)+(2+t)+(3−t)=6(1+2t)+(2+t)+(3-t) = 6,即 6+2t=66+2t = 6,t=0t = 0
  5. 交点:(1,2,3)(1, 2, 3)
  6. 线面角 θ\theta:sin⁡θ=∣s⃗⋅n⃗∣∣s⃗∣∣n⃗∣=263=218=232=23\sin\theta = \frac{|\vec{s}\cdot\vec{n}|}{|\vec{s}||\vec{n}|} = \frac{2}{\sqrt{6}\sqrt{3}} = \frac{2}{\sqrt{18}} = \frac{2}{3\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{3}
  7. θ=arcsin⁡23\theta = \arcsin\frac{\sqrt{2}}{3}

答案:直线与平面相交,交点为 (1,2,3)(1, 2, 3),线面角为 arcsin⁡23\arcsin\frac{\sqrt{2}}{3}。

题7

求两平面 x+y+z=1x + y + z = 1 与 x−y+2z=2x - y + 2z = 2 的夹角。

参考答案
两平面夹角二面角法向量点积
  1. 两平面法向量分别为 n1⃗=(1,1,1)\vec{n_1} = (1, 1, 1),n2⃗=(1,−1,2)\vec{n_2} = (1, -1, 2)
  2. 平面夹角 θ\theta(取锐角或直角): cos⁡θ=∣n1⃗⋅n2⃗∣∣n1⃗∣∣n2⃗∣=∣1−1+2∣36=218=232=23\cos\theta = \frac{|\vec{n_1}\cdot\vec{n_2}|}{|\vec{n_1}||\vec{n_2}|} = \frac{|1-1+2|}{\sqrt{3}\sqrt{6}} = \frac{2}{\sqrt{18}} = \frac{2}{3\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{3}
  3. θ=arccos⁡23\theta = \arccos\frac{\sqrt{2}}{3}

答案:两平面夹角为 arccos⁡23\arccos\frac{\sqrt{2}}{3}。

四、二次曲面

题8

指出方程 x24+y29−z216=1\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} - \frac{z^2}{16} = 1 表示什么曲面,并求其与平面 z=4z = 4 的截痕。

参考答案
二次曲面单叶双曲面截痕法椭圆
  1. 方程形式为 x2a2+y2b2−z2c2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} - \frac{z^2}{c^2} = 1,是单叶双曲面。
  2. 与平面 z=4z = 4 的截痕:代入 z=4z=4,得 x24+y29−1616=1\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} - \frac{16}{16} = 1,即 x24+y29=2\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 2,即 x28+y218=1\frac{x^2}{8} + \frac{y^2}{18} = 1
  3. 这是平面 z=4z=4 上的一个椭圆,长半轴 18=32\sqrt{18} = 3\sqrt{2}(沿y轴),短半轴 8=22\sqrt{8} = 2\sqrt{2}(沿x轴)。

答案:单叶双曲面;与 z=4z=4 的截痕是椭圆 x28+y218=1\frac{x^2}{8} + \frac{y^2}{18} = 1。

题9

求以原点为顶点,以曲线 {x2+y2=1z=1\begin{cases} x^2 + y^2 = 1 \\ z = 1 \end{cases} 为准线的锥面方程。

参考答案
锥面准线顶点母线
  1. 设锥面上任一点 P(x,y,z)P(x, y, z),母线 OPOP 与准线 z=1z=1 交于点 Q(x0,y0,1)Q(x_0, y_0, 1)
  2. 因为 O,P,QO, P, Q 共线,所以 xx0=yy0=z1\frac{x}{x_0} = \frac{y}{y_0} = \frac{z}{1},即 x0=xzx_0 = \frac{x}{z},y0=yzy_0 = \frac{y}{z}
  3. QQ 在准线上,故 x02+y02=1x_0^2 + y_0^2 = 1,代入得 x2z2+y2z2=1\frac{x^2}{z^2} + \frac{y^2}{z^2} = 1
  4. 即 x2+y2=z2x^2 + y^2 = z^2

答案:锥面方程为 x2+y2=z2x^2 + y^2 = z^2(圆锥面)。

五、向量空间

题10

验证向量组 α1=(1,1,0)\alpha_1 = (1, 1, 0),α2=(1,0,1)\alpha_2 = (1, 0, 1),α3=(0,1,1)\alpha_3 = (0, 1, 1) 构成 R3\mathbb{R}^3 的一组基,并求向量 β=(2,3,4)\beta = (2, 3, 4) 在这组基下的坐标。

参考答案
基维数坐标线性无关向量空间
  1. 验证线性无关:行列式 ∣110101011∣=1(0−1)−1(1−0)+0=−2≠0\begin{vmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 \end{vmatrix} = 1(0-1) - 1(1-0) + 0 = -2 \neq 0,故线性无关,构成 R3\mathbb{R}^3 的一组基。
  2. 设 β=x1α1+x2α2+x3α3\beta = x_1\alpha_1 + x_2\alpha_2 + x_3\alpha_3,即: {x1+x2=2x1+x3=3x2+x3=4\begin{cases} x_1 + x_2 = 2 \\ x_1 + x_3 = 3 \\ x_2 + x_3 = 4 \end{cases}
  3. 三式相加:2(x1+x2+x3)=92(x_1+x_2+x_3) = 9,x1+x2+x3=92x_1+x_2+x_3 = \frac{9}{2}
  4. x3=92−2=52x_3 = \frac{9}{2} - 2 = \frac{5}{2},x2=92−3=32x_2 = \frac{9}{2} - 3 = \frac{3}{2},x1=92−4=12x_1 = \frac{9}{2} - 4 = \frac{1}{2}
  5. 坐标为 (12,32,52)(\frac{1}{2}, \frac{3}{2}, \frac{5}{2})

答案:该向量组构成 R3\mathbb{R}^3 的基;β\beta 在该基下的坐标为 (12,32,52)(\frac{1}{2}, \frac{3}{2}, \frac{5}{2})。


总结

本套综合练习题涵盖了向量代数和空间解析几何的核心考点:

  • 向量运算(2题):数量积、向量积、混合积、夹角、面积
  • 空间平面与直线(3题):平面方程、直线方程、点到平面距离
  • 空间位置关系与角度(2题):线面关系、面面夹角
  • 二次曲面(2题):单叶双曲面、锥面方程
  • 向量空间(1题):基的验证与坐标计算

建议重点掌握向量积与混合积计算、平面与直线方程、点线面位置关系与角度距离三大核心题型。

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