内容正文:
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第一章
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空间向量在立体几何热点问题中的应用
立体几何中的探索性、折叠、取值范围和最值问题是各类考试考查的热点内容,也是一个难点,常见于解答题中,其题目特点是灵活性较强,需要相对丰富的空间想象能力及计算能力,对所研究几何体进行深入的剖析与推理,考查学生的综合能力,培养学生的思维能力.
一、立体几何中的探索性问题
二、立体几何中的折叠问题
课时对点练
三、立体几何中的范围与最值问题
内容索引
立体几何中的探索性问题
一
已知在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是矩形,且AD=2AB,△PAD是正三角形,CD⊥平面PAD,E,F,G,O分别是PC,PD,BC,AD的中点.
(1)求平面EFG与平面ABCD夹角的大小;
例 1
5
因为△PAD是正三角形,O为AD的中点,所以PO⊥AD,因为CD⊥平面PAD,PO⊂平面PAD,所以PO⊥CD,因为CD,AD⊂平面ABCD,CD∩AD=D,所以PO⊥平面ABCD,因为底面ABCD是矩形,且O,G分别为AD,BC的中点,所以OG∥AB,因为AB⊥AD,则OG⊥AD,以点O为坐标原点,OA,
OG,OP所在直线分别为x,y,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,
6
设平面EFG的法向量为n=(x,y,z),
7
8
9
整理可得4λ2-6λ+1=0,
10
探索性问题通常分为两类:一类是已知点存在,求点的位置;一类是判断点的“存在性”问题.其中,在点的“存在性”问题中,先假设所求点存在,将其作为已知条件,得出点的位置或与题设条件矛盾的结论,从而得到结果,在设参数求解点的坐标时,若出现多解的情况,则应分析不同解的含义,判断哪些解是符合题设条件的,再做出取舍.求解点、平面是否存在等探索性问题时,常常先利用特殊的位置关系或极端情形确定点或平面,再利用直线与平面的位置关系去证明结论.
利用空间向量解决探索性问题的策略
反
思
感
悟
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如图,在四棱锥P-ABCD中,四边形ABCD为菱形,且∠ABC=60°,PA⊥平面ABCD,E为BC的中点,F为棱PC上一点.
(1)求证:平面AEF⊥平面PAD;
跟踪训练 1
12
连接AC,因为四边形ABCD为菱形,∠ABC=60°,所以△ABC是正三角形,
因为E是BC的中点,
所以AE⊥BC,
又AD∥BC,所以AE⊥AD,
因为PA⊥平面ABCD,AE⊂平面ABCD,所以PA⊥AE,
又PA∩AD=A,PA,AD⊂平面PAD,所以AE⊥平面PAD,
又AE⊂平面AEF,所以平面AEF⊥平面PAD.
13
14
由(1)知AE,AD,AP两两垂直,以A为坐标原点,直线AE,AD,AP分别为x轴、y轴、z轴建立如图所示的空间直角坐标系,
设平面AEF的法向量为n=(x,y,z),
15
令z=t,得平面AEF的一个法向量为n=(0,2t-2,t).
设直线EG与平面AEF所成的角为θ,
16
二
立体几何中的折叠问题
如图所示,已知在矩形ABCD中,AD=2AB= ,E为BC的中点,将△ABE沿AE折起,使得AB⊥DE.
(1)求证:平面ABE⊥平面AECD;
例 2
18
在矩形ABCD中,连接DE(图略),
∴BE=BA,CE=CD,∴∠BEA=∠CED=45°,
∴∠AED=90°,即DE⊥AE,
又∵DE⊥AB,AE∩AB=A,AE,AB⊂平面ABE,∴DE⊥平面ABE,
又∵DE⊂平面AECD,∴平面ABE⊥平面AECD.
19
20
由(1)知DE⊥AE,以点E为原点,AE,DE所在直线分别为x轴、y轴,垂直于平面AECD的直线为z轴建立空间直角坐标系,如图所示.
21
设平面AEF的法向量为n1=(x,y,z),
取y=1-λ,则z=-2λ,
∴n1=(0,1-λ,-2λ).
由题意知平面ABE的一个法向量为n2=(0,1,0).
22
设平面ABE与平面AEF的夹角为θ,
23
(1)确定折叠前后变与不变的关系
画好折叠前后的平面图形与立体图形,分清折叠前后图形的位置和数量关系的变与不变.一般地,位于“折痕”同侧的点、线、面之间的位置关系不变,而位于“折痕”两侧的点、线、面之间的位置关系会发生变化;对于不变的关系应在平面图形中处理,而对于变化的关系则要在立体图形中解决.
折叠问题解题策略
反
思
感
悟
24
(2)确定折叠后关键点的位置
所谓的关键点,是指折叠过程中运动变化的点.因为这些点的位置移动,会带动与其相关的点、线、面的关系变化.只有分析清楚关键点的准确位置,才能以此为参照点,确定其他点、线、面的位置,进而进行有关的证明与计算.
反
思
感
悟
25
如图①所示,已知在梯形BFEC中,BF∥EC,EC=3,BF=2,四边形ABCD是边长为1的正
方形,沿AD将四边形EDAF折起,
使得平面EDAF⊥平面ABCD,得
到如图②所示的几何体.
(1)求证:DE⊥平面ABCD;
跟踪训练 2
∵平面EDAF⊥平面ABCD,DE⊂平面EDAF,平面EDAF∩平面ABCD=AD,DE⊥AD,
∴DE⊥平面ABCD.
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由题意知AD,CD,DE两两垂直,以点D为坐标原点,DA,DC,DE所在直线分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,如图所示,则E(0,0,2),F(1,0,1),B(1,1,0),
设平面BEF的法向量为n=(x,y,z),
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立体几何中的范围与最值问题
三
如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥AD,AB∥CD,CD⊥AD,AD=CD=2AB=2,E,F分别为PC,CD的中点,DE=EC.
(1)求证:平面ABE⊥平面BEF;
例 3
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∵AB∥CD,CD⊥AD,AD=CD=2AB=2,F为CD的中点,
∴四边形ABFD为矩形,AB⊥BF.
∵DE=EC,∴CD⊥EF,
又AB∥CD,∴AB⊥EF ,
∵BF∩EF=F,BF,EF⊂平面BEF,
∴AB⊥平面BEF,又AB⊂平面ABE,
∴平面ABE⊥平面BEF.
32
33
由(1)知,CD⊥EF,
∵E,F分别为PC,CD的中点,
∴PD∥EF,又AB∥CD,∴AB⊥PD,
又AB⊥AD,且PD∩AD=D,PD,AD⊂平面PAD,
∴AB⊥平面PAD,又PA⊂平面PAD,∴AB⊥PA.
以点A为坐标原点,AB,AD,AP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系(图略),
34
设平面EBD的法向量为m=(x,y,z),
令y=a,得x=2a,z=-2,则m=(2a,a,-2).
显然n=(0,0,1)是平面ABCD的一个法向量.
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立体几何中的范围、最值问题,常考查与空间图形有关的线段、角、距离、面积、体积等范围、最值问题,在解决此类问题时,通常应注意分析题目中所有的条件,在充分理解题意的基础上,分析是否能用公理与定义直接解决题中问题;如果不能,再看是否可将问题条件转化为函数,利用函数求解;也可以考虑其中是否存在不等关系,看是否能运用解不等式法或基本不等式求解.
范围、最值问题解题思路
反
思
感
悟
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跟踪训练 3
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(2)当PO为何值时,直线EP与平面PBC所成的角的正弦值最大.
40
如图所示,建立以点O为坐标原点的空间直角坐标系.
设PO=x,0≤x≤6,
设平面PBC的法向量为n=(a,b,c),
41
设直线EP与平面PBC所成的角为θ,
此时直线EP与平面PBC所成的角的正弦值最大.
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课时对点练
四
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一、单项选择题
1.如图①,将两个全等的等腰直角三角形拼成一个平行四边形ABCD,将平行四边形ABCD沿对角线BD折起,使
平面ABD⊥平面BCD,如图②,则直线AC
与BD所成角的余弦值为
√
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由平面ABD⊥平面BCD,AB⊥BD,平面ABD∩平面BCD=BD,AB⊂平面ABD,所以AB⊥平面BCD,又DC⊂平面BCD,所以AB⊥DC,又DB⊥DC,
过点D作z轴∥AB,建立空间直角坐标系,如图所示,
设AB=1,所以BD=1,DC=1,BC= ,
则A(0,1,1),B(0,1,0),C(1,0,0),D(0,0,0),
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√
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以点B为坐标原点,AB,BC,BB1所在直线分别为x,y,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,
设BC=1,BB1=a(a>0),则B(0,0,0),A1(1,0,a),P(0,1,λa)且0≤λ≤1,
又存在唯一的一点P满足PA1⊥BP,
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√
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建立如图所示的空间直角坐标系,则D(1,0,2),B1(0,1,3),
设P(0,0,z),0≤z≤3,
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4.在四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AA1⊥平面A1B1C1D1,底面A1B1C1D1是边长为a的正方形,侧棱AA1的长为b,E为侧棱BB1上的动点(包括端点),则
A.对任意的a,b,存在点E,使得B1D⊥EC1
B.当且仅当a=b时,存在点E,使得B1D⊥EC1
C.当且仅当a≥b时,存在点E,使得B1D⊥EC1
D.当且仅当a≤b时,存在点E,使得B1D⊥EC1
√
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以D1为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系,则B1(a,a,0),D(0,0,b),C1(0,a,0),设E(a,a,t)(0≤t≤b),
所以当且仅当a≤b时,存在点E,使得B1D⊥EC1,故选项D正确.
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√
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依题意得CD⊥DE,A1D⊥DE,
A1D∩CD=D,
A1D,CD⊂平面A1DC,
所以DE⊥平面A1DC,又A1D⊥CD,
故以D为坐标原点,CD,DE,DA1所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系(图略),
依题意△DCE为直角三角形,
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二、多项选择题
6.如图①,菱形ABCD的边长为2,∠BAD=60°,E为边AB的中点,将△ADE沿DE折起,使A到A′的位置,如图②,连接A′B,A′C,且A′D⊥CD,平面A′BE与平面A′CD的交线为l,则下列结论中正确的是
A.平面A′DE⊥平面A′BE
B.CD∥l
C.BC与平面A′DE所成角的余弦值为
D.平面A′BE与平面A′BD夹角的余弦值为
√
√
√
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在菱形ABCD中,∠BAD=60°,E为边AB的中点,所以AB⊥DE,因为CD∥BE,所以DE⊥CD,因为A′D⊥CD,A′D∩DE=D,A′D,DE⊂平面A′DE,所以CD⊥平面A′DE,
因为CD∥BE,所以BE⊥平面A′DE,因为BE⊂平面A′BE,
所以平面A′DE⊥平面A′BE,故A正确;
因为CD∥BE,CD⊄平面A′BE,BE⊂平面A′BE,所以CD∥平面A′BE,又平面A′BE与平面A′CD的交线为l,所以CD∥l,故B正确;
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由A知,DE⊥AB,且BE⊥平面A′DE,则DE⊥A′E,且BE⊥A′E,又BE∩DE=E,BE,DE⊂平面BED,所以A′E⊥平面BED,以E为原点,分别以EB,ED,EA′所在直线为x,y,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系.
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由A可知,CD⊥平面A′DE,
设BC与平面A′DE所成角为θ,
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设平面A′BD的法向量为m=(x,y,z),
设平面A′BE与平面A′BD的夹角为α,
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三、填空题
7.如图,在菱形ABCD中,AB= ,∠BAD=60°,沿对角线BD将△ABD折起,使点A,C之间的距离为 ,当P,Q分别为线段BD,CA
的中点时,PQ与AD所成角的余弦值为______.
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连接PA,PC,由题意可得PA=PC=2,
因为PA2+PC2=AC2,
所以PA⊥PC,又易知PA⊥BD,PC⊥BD,
所以以P为原点,PB,PC,PA所在直线分别为x,
y,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,
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8.如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是菱形,PA⊥平面ABCD,∠BAD=120°,PA=AB,点M是BC的中点,点N是PD上不与端点重合
的动点,则异面直线AM与CN所成角的正切值最小为______.
如图所示,连接AC.
由题意得∠ABC=60°,
所以△ABC是等边三角形,
所以AM⊥BC.
因为PA⊥平面ABCD,
所以PA⊥AM,PA⊥AD.
以A为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系.
设PA=AB=2.
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设异面直线AM与CN所成角为θ,
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四、解答题
9.已知四边形ABCD是边长为2的正方形,△P′AB为等边三角形(如图①所示),将△P′AB沿着AB折起到△PAB的位置,且使平面PAB⊥平面ABCD,M是棱AD的中点
(如图②所示).
(1)求证:PC⊥BM;
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取AB的中点O,CD的中点E,连接PO,OE,因为四边形ABCD是正方形,△PAB为等边三角形,
所以OE⊥AB,PO⊥AB,
又因为平面PAB⊥平面ABCD,
PO⊂平面PAB,
平面PAB∩平面ABCD=AB,
故PO⊥平面ABCD,而OE⊂平面ABCD,所以PO⊥OE,所以OB,OE,OP两两垂直,建立如图所示的空间直角坐标系,
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(2)求直线PC与平面PBM所成角的余弦值.
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设平面PBM的法向量为n=(x,y,z),
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10.如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,AD⊥AB,AB∥DC,AD=DC=AP=2,AB=1,点E为棱PC的中点.
(1)求证:BE⊥DC;
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(2)若F为棱PC上一点,满足BF⊥AC,求平面FAB与平面ABP夹角的余弦值.
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由点F在棱PC上,
=(1-2λ,2-2λ,2λ).
因此2(1-2λ)+2(2-2λ)=0,
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设n1=(x,y,z)为平面FAB的法向量,
不妨令z=1,可得n1=(0,-3,1)为平面FAB的一个法向量.
易知向量n2=(0,1,0)为平面ABP的一个法向量,
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设AB=2,则AD=4,A(2,0,0),G(0,2,0),P(0,0,2),E(-1,1,),F(-1,0,),
取x=,可得n=(,0,1),易知平面ABCD的
一个法向量为m=(0,0,1),
所以|cos〈m,n〉|==,
因此,平面EFG与平面ABCD的夹角为.
则=(0,-1,0),=(1,1,-),
则
(2)在线段PA上是否存在点M,使得直线GM与平面EFG所成角的大小为,若存在,求出的值;若不存在,请说明理由.
由题意可得|cos 〈n,〉|===,
假设线段PA上存在点M,使得直线GM与平面EFG所成角的大小为,连接GM,
设=λ=λ(2,0,-2)=(2λ,0,-2λ),
其中0≤λ≤1,
则=+=(0,-2,2)+(2λ,0,-2λ)=(2λ,-2,2-2λ).
因为0≤λ≤1,所以λ=.
因此,在线段PA上存在点M,使得直线GM与
平面EFG所成角的大小为,此时=.
(2)若G为PD的中点,AB=AP=2,是否存在点F,使得直线EG与平面AEF所成角的正弦值为?若存在,求出的值;若不存在,请说明理由.
=(-,1,1).
设=t(0≤t≤1),则A(0,0,0),E(,0,0),
C(,1,0),P(0,0,2),G(0,1,1),F(t,t,2-2t),
所以=(,0,0),=(t,t,2-2t),
即存在点F,使得直线EG与平面AEF所成角的正弦值为,且=或=.
则即
则sin θ=|cos〈,n〉|====,
2
∵AD=2AB=2,E为BC的中点,
(2)若点F在线段BD上,且平面ABE与平面AEF夹角的余弦值为,试确定点F的具体位置.
则F,=.
则B,A(,0,0),E(0,0,0),D(0,,0),=(,0,0),=,
设=λ,0≤λ≤1,
∴
即
∴cos θ===,
解得λ=,
故F为BD的中点.
(2)若点H在线段BD上,且EH与平面BEF所成角的正弦值为,求线段DH的长度.
=(1,0,-1),=(0,-1,1),
则即取x=1,则z=1,y=1,∴n=(1,1,1),
解得a=或a=(舍去),
∴H,∴||==,
即线段DH的长度为.
设H(a,a,0),0≤a≤1,则=(a,a,-2),
|cos〈,n〉|==,
(2)设PA=a,若平面EBD与平面ABCD的夹角θ∈,求a的取值范围.
则B(1,0,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,a),E.
由θ∈,
∴=(-1,2,0),=.
则即
即a的取值范围为.
知cos θ=|cos〈m,n〉|==∈,
解得a∈,
如图,D为圆锥的顶点,O是圆锥底面的圆心,AE为底面直径,AE=AD=4,△ABC是底面圆的内接正三角形,
且AB=6,P是线段DO上一点.
(1)若DP=PO,求三棱锥P-ABC的体积.
在Rt△DOA中,AD=4,AO=2,
∴DO==6,
∵DP=PO,∴PO=DO=4,
VP-ABC=·S△ABC·PO=××6×6××4=12.
∴
∴n=(x,-x,-2).
∴P(0,0,x),E(-,3,0),B(,3,0),C(-2,0,0),
∴=(,-3,x),=(,3,-x),=(-2,0,-x),
由题意得sin θ=|cos〈,n〉|==
==≤.
当且仅当PO=x=时等号成立,
A. B. C. D.
所以=(1,-1,-1),BD=(0,-1,0),
所以|cos〈,〉|===.
2.如图,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=BC,AB⊥BC,若棱C1C上存在唯一的一点P满足PA1⊥BP,则等于
A. B.1 C. D.2
所以=(1,-1,(1-λ)a),=(0,1,λa),
所以·=λ(1-λ)a2-1=0,
则λ2-λ+=0,
故Δ=1-=0,可得a=2,此时λ=,所以=2.
3.如图所示,直三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱长为3,底面边长A1C1=B1C1=1,且∠A1C1B1=90°,D点在棱AA1上且AD
=2DA1,P点在棱C1C上,则·的最小值为
A. B.- C. D.-
则=(1,0,2-z),=(0,1,3-z),
∴·=0+0+(2-z)(3-z)=2-,
故当z=时,·取得最小值-.
所以=(-a,-a,b),=(-a,0,-t),
所以·=a2-bt,令a2-bt=0,t=,
由0≤≤b得a≤b,
5.如图①,在Rt△ABC中,C=,AC=BC=2,D,E分别为AC,AB的中点,将△ADE沿DE折起到△A1DE的位置,使A1D⊥CD,如图②.若F是A1B的中点,则四面体FCDE
外接球的体积是
A.2π B. C. D.
则D(0,0,0),C(1,0,0),E(0,1,0),B(1,2,0),A1(0,0,1),F.
所以△DCE的外接圆的圆心在CE的中点处,设四面体FCDE外接球的球心为M,半径为R,则||=||=R,
即R=
=,
解得m=0,所以R=,
所以四面体FCDE外接球的体积V=πR3=.
则B(1,0,0),A′(0,0,1),C(2,,0),D(0,,0),
所以=(1,,0),=(0,0,1),=(0,,-1),=(1,0,-1),
故平面A′DE的一个法向量为=(-2,0,0),
则cos〈,〉===-,
则cos θ=sin〈,〉==,故C不正确;
显然平面A′BE的一个法向量为n==(0,,0),
则有即
取y=1,则x=z=,所以m=(,1,),
所以cos α=|cos〈m,n〉|===,故D正确.
2
AC=2,
则P(0,0,0),Q(0,1,1),A(0,0,2),D,=(0,1,1),=,
设PQ与AD所成的角为θ,则cos θ=
==.
所以PQ与AD所成角的余弦值为.
则M(,0,0),A(0,0,0),C(,1,0),D(0,2,0),P(0,0,2),
所以=(,0,0),=(-,1,0),=(0,-2,2).
设=λ=λ(0,-2,2)=(0,-2λ,2λ),0<λ<1,
所以=+=(-,1-2λ,2λ).
则cos θ=|cos〈,〉|=
==.
所以当λ=时,cos θ取得最大值,此时θ最小,tan θ的最小值为.
则P(0,0,),C(1,2,0),B(1,0,0),M(-1,1,0),
=(1,2,-),=(-2,1,0),所以·=0,所以PC⊥BM.
由(1)知=(1,2,-),=(-2,1,0),=(-1,0,),
故即令x=,则z=1,y=2.
则n=(,2,1),设直线PC与平面PBM所成的角为θ,
故sin θ===,
因为θ为锐角,故cos θ==.
所以直线PC与平面PBM所成角的余弦值为.
依题意,以点A为坐标原点建立空间直角坐标系(如图),可得A(0,0,0),B(1,0,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2).由E为棱PC的中点,得E(1,1,1),所以=(0,1,1),=(2,0,0),故·=0,所以BE⊥DC.
=(1,2,0),=(-2,-2,2),=(2,2,0),=(1,0,0).
设=λ(0≤λ≤1),
故=+=+λ
由BF⊥AC,得·=0,
则即
解得λ=,
即=.
则|cos〈n1,n2〉|===.
所以平面FAB与平面ABP夹角的余弦值为.
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