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如图1­4所示,在四棱锥P ­ ABCD中,PA⊥底面ABCD,  ADABABDCADDCAP=2,AB=1,点E为棱PC的中点.

(1)证明:BEDC

(2)求直线BE与平面PBD所成角的正弦值;

(3)若F为棱PC上一点,满足BFAC,求二面角F ­ AB ­ P的余弦值.

图1­4


解:方法一:依题意,以点A为原点建立空间直角坐标系(如图所示),可得B(1,0,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2).CE为棱PC的中点,得E(1,1,1).

(1)证明:向量BE=(0,1,1),DC=(2,0,0),

BE·DC=0,

所以BEDC.

(2)向量BD=(-1,2,0),PB=(1,0,-2).

n=(xyz)为平面PBD的法向量,

所以直线BE与平面PBD所成角的正弦值为.

(3) 向量BC=(1,2,0),CP=(-2,-2,2),AC=(2,2,0),AB=(1,0,0).由点F在棱PC上,

CFλ,0≤λ≤1.

BFBCCFBCλ=(1-2λ,2-2λ,2λ).由BFAC,得BF·AC=0,因此2(1-2λ)+2(2-2λ)=0,解得λ,即BF.设n1=(xyz)为平面FAB

易知二面角F ­ AB ­ P是锐角,所以其余弦值为.

方法二:(1)证明:如图所示,取PD中点M,连接EMAM.由于EM分别为PCPD的中点,故EMDC,且EMDC.又由已知,可得EMABEMAB,故四边形ABEM为平行四边形,所以BEAM.

因为PA⊥底面ABCD,故PACD,而CDDA,从而CD⊥平面PAD.因为AM⊂平面PAD,所以CDAM.又BEAM,所以BECD.

(2)连接BM,由(1)有CD⊥平面PAD,得CDPD.而EMCD,故PDEM.又因为ADAPMPD的中点,所以PDAM,可得PDBE,所以PD⊥平面BEM,故平面BEM⊥平面PBD,所以直线BE在平面PBD内的射影为直线BM.而BEEM,可得∠EBM为锐角,故∠EBM为直线BE与平面PBD所成的角.

依题意,有PD=2,而MPD中点,可得AM,进而BE.故在直角三角形BEM中,tan∠EBM,因此sin∠EBM

所以直线BE与平面PBD所成角的正弦值为.

(3)如图所示,在△PAC中,过点FFHPAAC于点H.因为PA⊥底面ABCD,所以FH⊥底面ABCD,从而FHAC.又BFAC,得AC⊥平面FHB,因此ACBH.在底面ABCD内,可得CH=3HA,从而CF=3FP.在平面PDC内,作FGDCPD于点G,于是DG=3GP.由于DCAB,故GFAB,所以ABFG四点共面.由ABPAABAD,得AB⊥平面PAD,故ABAG,所以∠PAG为二面角F ­ AB ­ P的平面角.

在△PAG中,PA=2,PGPD,∠APG=45°.由余弦定理可得AG,cos∠PAG,所以二面角F ­ AB ­ P的余弦值为.


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