本题导读

本题核心考查四面体(三棱锥)中对棱垂直的判定命题。解题关键在于熟练运用空间向量的线性运算与数量积公式,将空间几何中的线线垂直关系()转化为向量数量积为零()的代数证明,逐一审视各命题。

📌【题干】

Question

(2003年辽宁卷) 对于四面体 ,给出下列四个命题: ① 若 ,,则 ; ② 若 ,,则 ; ③ 若 ,,则 ; ④ 若 ,,则 . 其中真命题的序号是________.(写出所有真命题的序号)

🔍【思路分析】

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  1. 统一目标向量化:要判定 是否成立,即判定 。根据向量减法拆项, ,目标等价于验证 。

  2. 分析命题 ①:利用等腰三角形中线的性质。取 中点 ,连结 ,通过线面垂直的性质进行几何论证。

  3. 分析命题 ②:此为对棱相等的“等腰四面体”。可构造补形正方体,或通过向量模长等式展开进行代数校验。

  4. 分析命题 ③:通过向量坐标系或数量积展开,验证已知垂直关系是否能合流推导出目标数量积。

  5. 分析命题 ④:利用三垂线定理或空间向量的基本恒等式 进行严格推导。

✅【答案】

Success

✍【详细解析】

Abstract

① 命题 ① 证明: 取 的中点 ,连结 。 因为 , 是 的中点,所以 。 因为 , 是 的中点,所以 。 因为 ,且 , 根据线面垂直的判定定理,可得 。 又因为 ,所以 。 故 ① 是真命题。

② 命题 ② 校验: 已知 , ,这属于对棱相等的等腰四面体。 设 , , 。则 , 。 由模长平方相等:

  • (A式)
  • (B式)

(A式)-(B式)得:

而目标向量积 。 由上式知 。该值仅当 时才为 0。 本题未限定 ,故 , 与 不一定垂直。 故 ② 是假命题。

③ 命题 ③ 校验: 已知 且 。 由于 ,上式化为: 无法由此独立推导出 。 (例如:构建一个底面为直角三角形、顶点向外倾斜的特殊三棱锥即可作为反例)。 故 ③ 是假命题。

④ 命题 ④ 证明: 在任意四面体 中,恒存在如下关于三组对棱的空间向量基本恒等式:

已知 ; 已知 。 将这两项代入恒等式中: 因此必有 。 故 ④ 是真命题。

综上所述,所有真命题的序号为:①④。

最终答案:①④

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:线面垂直的几何判定定理,空间任意四面体三组对棱向量积零和恒等式,等腰四面体(模型补形为长方体)的几何特征。
  2. 核心方法:空间向量数量积法。
  3. 避坑指南:
    • 命题 ② 的等腰四面体性质极具迷惑性,容易主观误认为对棱相等则对棱垂直。必须明确,等腰四面体补形成长方体后,对棱对应的只是长方体各面上的对角线,只有当长方体各面为正方形(即补形为正方体)时,面对角线才互相垂直。

    • 命题 ④ 的证明如果不用向量恒等式,需要作高线通过三垂线定理逐步转化,过程极其繁琐且极易因线条重叠导致逻辑混乱。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题属于立体几何中的多命题组合填空题,考查空间异面直线垂直的判定。
  2. 结论推广: 命题 ④ 所涉及的结构在空间几何中被称为直角四面体。该类四面体满足:只要有两组对棱互相垂直,第三组对棱就必然互相垂直;此时四面体的四条高线相交于同一点(称为四面体的垂心)。这是平面三角形垂心定理在空间中的自然推广。

🔗【关联脉络】

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