Question

如图，在四棱锥P-ABCD中，底面ABCD是边长为2的菱形，且∠DAB=60°，侧面PAD⊥底面ABCD，且三角形PAD为等腰直角三角形，∠APD=90°，M是AP的中点．
（Ⅰ）求证AD⊥PB；
（Ⅱ）求异面直线DM与PB所成角的余弦值；
（Ⅲ）求二面角A-PD-B的余弦值．

Answer

（Ⅰ） 连接BD，设Q是AD的中点，连接PQ，BQ，通过证明AD⊥平面PBQ，证出AD⊥PB；
（Ⅱ）平面PDA⊥平面ABCD∴PQ⊥平面ABCD以Q为坐标原点，QA，QB，QP分别为x，y，z轴建立空间直角坐标系，利用向量的方法求解．
（Ⅲ） 利用平面APD的法向量与平面PBD的法向量的夹角求二面角A-PD-B的余弦值．
【解析】
（Ⅰ） 连接BD，
∵ABCD是菱形，且∠BAD=60°
∴△ABD是等边三角形   …（1分）
设Q是AD的中点，连接PQ，BQ，则BQ⊥AD，
∵△APD是等腰直角三角形
∴PQ⊥AD…（2分）
∵PQ∩BQ=Q…（3分）
∴AD⊥平面PBQ，
∴AD⊥PB…（4分）
（Ⅱ）∵平面PDA⊥平面ABCD
∴PQ⊥平面ABCD
以Q为坐标原点，QA，QB，QP分别为x，y，z轴建立空间直角坐标系          …（5分）
则D（-1，0，0），M（），P（0，0，1），B（0，，0）
∴…（7分）
∴=
异面直线DM与PB所成角的余弦值为…（9分）
（Ⅲ）∵BQ⊥平面APD
∴平面APD的法向量为…（10分）
设平面PBD的法向量为
∵，
∴，，
∴，
令x=1，可得：…（12分）
∴
由图形可知，二面角A-PD-B为锐角，
∴二面角A-PD-B的余弦值为…（14分）