Question

三棱柱ABC-A₁B₁C₁中，∠ABC=90°，BB₁⊥底面ABC，D為棱AC的中點，E為棱A₁C₁的中點，且AB=BC=BB₁=1．
（1）求證：CE∥平面BA₁D．
（2）求二面角A₁-BD-C的余弦值．
（3）棱CC₁上是否存在一點P，使PD⊥平面A₁BD，若存在，試確定P點位置，若不存在，請說明理由．

Answer 1

方法一：（幾何法）
證明：（1）因為E、D分別是A₁C₁和AC的中點，則A₁E∥CD且A₁E=CD，
則CE∥A₁D…．（2分），而CE?平面BA₁D，A₁D?平面BA₁D，則CE∥平面BA₁D…（4分）
（2）因為B₁B⊥平面ABC，故A₁A⊥平面ABC，所以AA₁⊥BD
又AB=BC=1且D為AC的中點，故BD⊥AC，
而AA₁∩AC=A，BD⊥平面A₁ACC₁
所以A₁D⊥BD，AD⊥BD
故∠A₁DA為所求二面角A₁-BD-C的平面角的補角．…（6分）
在Rt△A₁AD中，A1D=

12+( 2 2 )2

=

6

2

所以cos∠A1DA=

AD

A1D

=

3

3

故所求二面角的余弦值為cos(π-∠A1DA)=-

3

3

…（8分）
（3）P為CC₁中點時，即PC=

1

2

，PD⊥平面A₁BD．
因為tan∠A1DA=

AA1

AD

=

1

2 2

=

2

，所以tan∠A1DA•tan∠PDC=

2

•

1 2

2 2

=1
即∠A₁DA+∠PDC=90°，即∠A₁DP=90°，即PD⊥A₁D…（10分）
由（2）知，BD⊥平面A₁ACC₁，PD?平面A₁ACC₁
所以BD⊥PD，又BD∩A₁D=D．
所以PD⊥平面A₁BD．…（12分）
方法二：（向量法）
證明：（1）以B為坐標原點，射線BC為x軸的正半軸，建立如圖所示的直角坐標系B-xyz
則A（0，1，0），C（1，0，0），D(

1

2

，

1

2

，0)，B₁（0，0，1），A₁（0，1，1），C₁（1，0，1），E(

1

2

，

1

2

，1)
設平面A₁BD的一個法向量n₁=（x，y，z）
又

BA1

=(0，1，1)

BD

=(

1

2

，

1

2

，0)

n1• BA1 =0 n11• BD =0

令x=1可得n₁n₁=（1，-1，1）…（2分）

CE

=(-

1

2

，

1

2

，1)，n1•

CE

=0
又因為CE?平面A₁BD，故CE∥平面BA₁D．…（4分）
（2）又平面BDC的一個法向量為n₂=（0，0，1），平面A₁BD的一個法向量n₁=（1，-1，1）…（6分）
設二面角A₁-BD-C的大小為θ，可知θ為鈍角，
故cosθ=-

|n1n1•n2|

|n1n1||n2n2|

=-

3

3

…（8分）
（3）設P（1，0，z）則

DP

=(

1

2

，-

1

2

，z)…（9分）
要使PD⊥平面A₁BD，則需

DP • BD =0 DP • BA1 =0

…（10分）
可得z=

1

2

，故P(1，0，

1

2

)
即當P是C₁C的中點時，
所以PD⊥平面A₁BD．…（12分）