| 1.4.2 用空间向量研究距离、夹角问题 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选择性必修一

第一章 空间向量与立体几何

1.4 空间向量的应用

1.4.2 用空间向量研究距离、夹角问题

如图,长方体$ABCD-{{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}{{D}_{1}}$中,$AB=2$$AD=1$$A{{A}_{1}}=2$$O$为底面$ABCD$的中心,点$P$${{D}_{1}}{{B}_{1}}$上的动点(包括端点),则当$\triangle P{{A}_{1}}O$的面积最小时,线段$DP$的长为                 

[["$\\dfrac{\\sqrt{69}}{4}$"]]

如图以$DA,DC,D{{D}_{1}}$所在的直线分别为$x,y,z$轴建立空间直角坐标系,则

$D(0,0,0),{{A}_{1}}(1,0,2),O\left(\dfrac{1}{2},1,0\right)$${{D}_{1}}(0,0,2),{{B}_{1}}(1,2,2)$

$\overrightarrow{{{A}_{1}}O}=\left( -\dfrac{1}{2},1,-2 \right),\overrightarrow{{{D}_{1}}{{B}_{1}}}=(1,2,0)$

$P(a,b,2)$,则$\overrightarrow{{{D}_{1}}P}=(a,b,0)$

$\because \overrightarrow{{{D}_{1}}P}$$\overrightarrow{{{D}_{1}}{{B}_{1}}}$

$\therefore \dfrac{a}{1}=\dfrac{b}{2}$,得$b=2a$

$\therefore P(a,2a,2)$$($$0\le a\le 1$$)$,则$\overrightarrow{{{A}_{1}}P}=(a-1,2a,0)$

设点$P$${{A}_{1}}O$的距离为$d$,则

${{d}^{2}}={{\left| \overrightarrow{{{A}_{1}}P} \right|}^{2}}-{{\left( \dfrac{\overrightarrow{{{A}_{1}}P}\cdot \overrightarrow{{{A}_{1}}O}}{\left| \overrightarrow{{{A}_{1}}O} \right|} \right)}^{2}}={{(a-1)}^{2}}+4{{a}^{2}}-\dfrac{{{\left[-\dfrac{1}{2}(a-1)+2a\right]}^{2}}}{\dfrac{1}{4}+1+4}$

$=5{{a}^{2}}-2a+1-\dfrac{{{\left(\dfrac{3}{2}a+\dfrac{1}{2}\right)}^{2}}}{\dfrac{21}{4}}$

$=5{{a}^{2}}-2a+1-\dfrac{{{(3a+1)}^{2}}}{21}$

$=\dfrac{96{{a}^{2}}-48a+20}{21}$

$\therefore $$a=-\dfrac{-48}{2\times 96}=\dfrac{1}{4}$时,$d$取得最小值,此时$\triangle P{{A}_{1}}O$的面积取得最小值,

$\therefore P\left(\dfrac{1}{4},\dfrac{1}{2},2\right)$

$\therefore DP=\sqrt{\dfrac{1}{16}+\dfrac{1}{4}+4}=\dfrac{\sqrt{69}}{4}$

故答案为:$\dfrac{\sqrt{69}}{4}$

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