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空间平行:线线、线面、面面

空间平行题的核心是“把高维关系降到低维关系”。线面平行通常转化为线线平行,面面平行通常转化为两组相交直线分别平行。

线线平行

线线平行要求两件事同时成立:

  1. 两条直线共面。
  2. 两条直线没有公共点。

在证明中,最常用的来源是中位线、平行四边形、矩形、正方形、相似三角形。

线面平行

定义:直线 $l$ 与平面 $\alpha$ 没有公共点,则 $l\parallel \alpha$。

判定定理:如果 $l\not\subset\alpha$,且平面 $\alpha$ 内存在直线 $m$ 使 $l\parallel m$,那么 $l\parallel\alpha$。

性质定理:如果 $l\parallel\alpha$,过 $l$ 的平面 $\beta$ 与 $\alpha$ 相交于 $m$,那么 $l\parallel m$。

判定定理用于“证明线面平行”。性质定理用于“已知线面平行,推出线线平行”。

m 在平面 α 内 l ∥ m 所以 l ∥ α

面面平行

定义:两个平面没有公共点,则它们平行。

判定定理:如果一个平面内两条相交直线分别平行于另一个平面内的两条直线,那么这两个平面平行。

常用形式:在平面 $\alpha$ 内找两条相交直线 $a,b$,证明 $a\parallel\beta$ 且 $b\parallel\beta$,即可推出 $\alpha\parallel\beta$。

性质定理:如果两个平行平面被第三个平面所截,那么所得交线平行。

证明链模板

证明线面平行:

  1. 先说明目标直线不在目标平面内。
  2. 在目标平面内找一条直线。
  3. 证明这两条直线平行。
  4. 用线面平行判定。

证明面面平行:

  1. 在第一个平面内找两条相交直线。
  2. 分别证明它们平行于第二个平面。
  3. 用面面平行判定。

常见入口

  1. 中点给中位线。
  2. 平行四边形给对边平行。
  3. 正方体和长方体给对应棱平行。
  4. 截面题常用“第三平面截平行平面,交线平行”。

训练题

  1. 在三棱锥 $P-ABC$ 中,$D,E$ 分别为 $PA,PB$ 的中点,证明 $DE\parallel$ 平面 $ABC$。
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在三角形 $PAB$ 中,$D,E$ 为两边中点,所以 $DE\parallel AB$。又 $AB\subset$ 平面 $ABC$,且 $DE\not\subset$ 平面 $ABC$,因此 $DE\parallel$ 平面 $ABC$。

  1. 在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,证明 $A_1B_1\parallel$ 平面 $ABCD$。
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$A_1B_1\parallel AB$,且 $AB\subset$ 平面 $ABCD$,$A_1B_1$ 不在平面 $ABCD$ 内,所以 $A_1B_1\parallel$ 平面 $ABCD$。

  1. 在四棱锥 $P-ABCD$ 中,底面 $ABCD$ 为平行四边形。证明 $AB\parallel$ 平面 $PCD$。
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因为 $ABCD$ 是平行四边形,所以 $AB\parallel CD$。又 $CD\subset$ 平面 $PCD$,$AB\not\subset$ 平面 $PCD$,所以 $AB\parallel$ 平面 $PCD$。

  1. 在三棱柱 $ABC-A_1B_1C_1$ 中,证明平面 $ABC\parallel$ 平面 $A_1B_1C_1$。
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棱柱对应棱平行,有 $AB\parallel A_1B_1$,$AC\parallel A_1C_1$。又 $AB,AC$ 相交于 $A$,所以平面 $ABC\parallel$ 平面 $A_1B_1C_1$。

  1. 已知平面 $\alpha\parallel\beta$,平面 $\gamma$ 与它们分别交于 $a,b$,证明 $a\parallel b$。
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这是平行平面的性质定理:两个平行平面被第三个平面所截,所得交线平行。

讲题追问

让学生每次证明线面平行时都补一句:我在目标平面内找到了哪一条“替身直线”?如果说不出来,说明证明链还没有闭合。