如图,已知四棱锥 $E-ABCD$ 的底面为菱形,且 $\angle ABC=60^\circ$,$AB=EC=2$,$AE=BE=\sqrt2$.
【难度】
【出处】
2012年全国高中数学联赛河南省预赛
【标注】
  1. 求证:平面 $EAB\perp\text{平面}ABCD$;
    标注
    答案
    解析
    取 $AB$ 的中点 $O$,连接 $EO,CO$.
    因为$$AE=EB=\sqrt2 , AB=2,$$所以三角形 $AEB$ 为等腰直角三角形,因此$$EO\perp AB , EO=1.$$又$$AB=BC,\angle ABC=60^\circ,$$所以三角形 $ACB$ 是等腰三角形,因此 $CO=\sqrt3$,而 $EC=2$,所以$$EC^2=EO^2+CO^2 , EO\perp CO,$$从而 $EO\perp\text{平面}ABCD$.
    由于 $EO\subset\text{平面} EAB$,因此平面 $EAB\perp\text{平面}ABCD$.
  2. 求二面角 $A-EC-D$ 的余弦值.
    标注
    答案
    $\dfrac{2\sqrt7}{7}$
    解析
    以 $AB$ 中点 $O$ 为坐标原点,以 $OC$ 所在直线为 $x$ 轴,以 $OB$ 所在直线为 $y$ 轴,$OE$ 所在直线为 $z$ 轴,建立空间直角坐标系如图所示.读取各点坐标:$A(0,-1,0),C(\sqrt3,0,0),D(\sqrt3,-2,0),E(0,0,1)$,因此$$\overrightarrow{AC}=(\sqrt3,1,0),\overrightarrow{EC}=(\sqrt3,0,-1),\overrightarrow{DC}=(0,2,0).$$设平面 $DCE$ 的法向量 $\overrightarrow{n}=(x,y,z)$,则$$\begin{cases}\overrightarrow{EC}\cdot\overrightarrow{n}=0,\\\overrightarrow{DC}\cdot\overrightarrow{n}=0,\end{cases}\text{即}\begin{cases}\sqrt3x-z=0,\\\sqrt2y=0,\end{cases}$$令 $x=1$,则 $z=\sqrt3$,所以$$\overrightarrow{n}=(1,0,\sqrt3).$$设平面 $EAC$ 的法向量 $\overrightarrow{m}=(a,b,c)$,则$$\begin{cases}\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{m}=0,\\\overrightarrow{EC}\cdot\overrightarrow{m}=0,\end{cases}\text{即}\begin{cases}\sqrt3a+b=0,\\ \sqrt3a-c=0,\end{cases}$$令 $a=1$,则 $b=-\sqrt3,c=\sqrt3$,所以$$\overrightarrow{m}=(1,-\sqrt3,\sqrt3).$$设二面角为 $\theta$,由图可知 $\theta$ 为锐角,则有$$\cos\theta=|\cos\langle\overrightarrow{m},\overrightarrow{n}\rangle|=\left|\dfrac{\overrightarrow{m}\cdot\overrightarrow{n}}{|\overrightarrow{m}|\cdot|\overrightarrow{n}|}\right|=\dfrac{2\sqrt7}{7},$$所以二面角 $A-EC-D$ 的余弦值为 $\dfrac{2\sqrt7}{7}$.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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