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已知正方体 ABCDA1B1C1D1 的棱长为 22, 对角线 AC1 的中点为 F, 动点 P 在平面 AA1C1C 内, 且点 P 到平面 AA1B1B 的距离等于 22|PF|.

  1. 求四棱锥 PAA1B1B 体积的最小值;
  2. 记点 P 的轨迹为曲线 M, 点 G,R,Q 是曲线 M 上不同三点.
    1. 若平面 AB1F 与轨迹 M 相交于 R,G 两点, 求线段 RG 的长;
    2. 若点 G 在点 F 上方, 且 GFAC, GR, GQ 与平面 ABCD 所成角相等, 平面 αRQ 且与 AB 平行, 判断平面 α 与平面 ABCD 的夹角是否为定值. 若是定值, 求出这个夹角的余弦值; 若不是定值, 请说明理由.

不妨以 A1 为原点, {A1B1,A1D1,A1A} 为基向量建立空间直角坐标系 A1xyz. 则 F(2,2,2), 设 P(t,t,h). 则条件等价于 |t|=22(t2)2+(t2)2+(h2)2h2+642t22h=0.

  1. 四棱锥 PAA1B1B 的体积为 13(22)2|t|=83|h2+622h|42=23[(h2)2+4]423.
    1. 平面 AB1Fx+z=22, 与 M:x=y,z2+642x22z=0 联立得 z2+22z10=0|z1z2|=48. 所以 RG=(x1x2)2+(y1y2)2+(z1z2)2=3(z1z2)2=12.
    2. 可以看出 M 的轨迹是个抛物线, 所以我们重新在平面 AA1C1C 中建系如右图. 因为 PF=2|t|=|h2+622h|41, 所以抛物线的方程为 y2=4x. 又 GFAC, 所以 G(1,2). 又 GR,GQ 和平面 ABCD 所成角相等, 所以 kGR+kGQ=0.
      我们首先证明 kRQ 是定值, 这是一个相等熟悉的流程了. 我们设 lRQ:α(x1)+β(y2)=1, 与改写的抛物线方程 (y2)2+4(y2)=4(x1) 联立, 再令 k=y2x1, 得到 (1+4β)k24(αβ)k4α=0. 方程的两解就是 kGR,kGQ, 所以根据韦达定理 0=4(αβ)1+4βα=β. 所以 kRQ=αβ=1.
      现在设 α:Ax+By+Cz+D=0. 法向量是 n1=(A,B,C). 它经过 R(x1,y1,0)Q(x2,y2,0), 所以 {Ax1+By1+D=0,Ax2+By2+D=0A(x1x2)+B(y1y2)=0A=B. 另一方面 AB=(2,0,2), 所以 α//AB 意味着 ABn1=2A2C=0. 所以 A=B=C.
      而平面 ABCD 在现在的坐标系下是 y=2, 法向量是 n2=(0,1,0). 所以两个平面的夹角的余弦值为 cosn1,n2=|n1n2||n1n2|=|B|A2+B2+C2=33.
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本题前两问其实就可以引入抛物线了. 因为 PAA1 的距离是到平面 AA1B1B2 倍, 所以 PAA1 的距离就等于 PF, 所以可以直接确定 P 是抛物线. 所以焦准距 p=2 (就是 FAA1 的距离). 那我们可以这样简化前两问:

  1. 要找出 P 到平面 AA1B1B 的距离最小值, 也就是找出 PF 的距离最小值的 22 倍. 在抛物线中, 它就是 22p2=22, 所以 V8322=423.
  2. 在抛物线中要求一条焦点弦的长度, 还知道了倾斜角 θ=arctan22, 可以直接使用极坐标方程 ρ=2psin2θ=413=12.