有以下四个命题:
① 存在 $5$ 个点,且其中任意两点所在的直线都与另外三点确定的平面垂直;
② 空间四边形(非平面四边形)$4$ 条边所在的 $4$ 条直线中,互相垂直的直线对至多有 $4$ 对;
③ 四面体的 $4$ 个面中,至多有 $3$ 个直角三角形;
④ 四面体的 $6$ 条棱所在的 $6$ 条直线中,互相垂直的直线对至多有 $6$ 对.
其中正确命题的序号是 .
① 存在 $5$ 个点,且其中任意两点所在的直线都与另外三点确定的平面垂直;
② 空间四边形(非平面四边形)$4$ 条边所在的 $4$ 条直线中,互相垂直的直线对至多有 $4$ 对;
③ 四面体的 $4$ 个面中,至多有 $3$ 个直角三角形;
④ 四面体的 $6$ 条棱所在的 $6$ 条直线中,互相垂直的直线对至多有 $6$ 对.
其中正确命题的序号是
【难度】
【出处】
2009年第二十届“希望杯”全国数学邀请赛高一(二试)
【标注】
【答案】
①④
【解析】
命题 ①,取正四面体 $ABCD$ 和其中心 $E$ 即为符合题意的实例.
命题 ②,设空间四边形为 $ABCD$,若 $AB,BC,CD,DA$ 中互相垂直的直线有 $4$ 对,则必然为以下两种情形之一:
情形一 不存在任何一条直线与其他三条直线垂直,也即\[AB\perp BC,BC\perp CD,CD\perp DA,DA\perp AB,\]由于 $AB,CD$ 异面,因此可作平面 $\alpha$ 同时与 $AB,CD$ 平行,此时 $BC,DA$ 均与 $\alpha$ 垂直,因此 $BC\parallel DA$,矛盾.
情形二 存在某条直线与其他三条直线垂直,不妨该直线为 $AB$.由于 $AB\perp BC$ 且 $AB\perp CD$,于是 $AB\perp BCD$,进而 $AB\perp BD$,与 $AB\perp DA$ 矛盾.
综上所述,命题 ② 错误.
命题 ③,在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,取四面体 $ABCC_1$,则该四面体所有面均为直角三角形,命题 ③ 错误.
命题 ④,在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,取正四面体 $A-BDA_1$,则该四面体各棱所在直线中有 $6$ 对互相垂直的直线.另一方面,若四面体 $ABCD$ 的 $6$ 条棱所在的 $6$ 条直线中,互相垂直的直线对有 $7$ 对,考虑到每个面至多出现一对互相垂直的直线,因此三对异面直线均互相垂直,且四个面均为直角三角形.由三对异面直线均互相垂直,可知点 $A$ 在底面 $BCD$ 上的投影为底面 $BCD$ 的垂心,而底面 $BCD$ 为直角三角形,不妨设直角顶点为 $B$,则 $BA,BC,BD$ 两两垂直,进一步 $BA,BC,BD$ 均不为面 $ACD$ 的垂线,这与 $B$ 在底面 $ACD$ 上的投影为直角三角形 $ACD$ 的垂心矛盾.
综上所述,命题 ④ 正确.
命题 ②,设空间四边形为 $ABCD$,若 $AB,BC,CD,DA$ 中互相垂直的直线有 $4$ 对,则必然为以下两种情形之一:
综上所述,命题 ② 错误.
命题 ③,在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,取四面体 $ABCC_1$,则该四面体所有面均为直角三角形,命题 ③ 错误.
命题 ④,在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,取正四面体 $A-BDA_1$,则该四面体各棱所在直线中有 $6$ 对互相垂直的直线.另一方面,若四面体 $ABCD$ 的 $6$ 条棱所在的 $6$ 条直线中,互相垂直的直线对有 $7$ 对,考虑到每个面至多出现一对互相垂直的直线,因此三对异面直线均互相垂直,且四个面均为直角三角形.由三对异面直线均互相垂直,可知点 $A$ 在底面 $BCD$ 上的投影为底面 $BCD$ 的垂心,而底面 $BCD$ 为直角三角形,不妨设直角顶点为 $B$,则 $BA,BC,BD$ 两两垂直,进一步 $BA,BC,BD$ 均不为面 $ACD$ 的垂线,这与 $B$ 在底面 $ACD$ 上的投影为直角三角形 $ACD$ 的垂心矛盾.
综上所述,命题 ④ 正确.
题目
答案
解析
备注