Question

如图，在四棱锥P-ABCD中，PA⊥底面ABCD，PA=AD=CD，BC=2AD，BC∥AD，AD⊥DC．
（Ⅰ）证明AC⊥PB；
（Ⅱ）求二面角C-PB-A的大小．

Answer

方法一：（几何法）
（I）设PA=AD=CD=a，由PA=AD=CD，BC=2AD，BC∥AD，AD⊥DC，解直角三角形ADC及三角形ABC可得∠BAC=90°，进而由三垂线定理得到AC⊥PB；
（Ⅱ）PA⊥面ABCD可得PA⊥CA，结合CA⊥AB及线面垂直的判定定理可得CA⊥面PAB，过点A作AE⊥PB于E，连接CE，由三垂线定理知，∠AEC即为二面角C-PB-A的平面角α解Rt△PAB，可得二面角C-PB-A的大小．
方法二：（向量法）
（I）建立空间直角坐标系D-xyz，设PA=AD=CD=1，根据AD⊥DC，BC=2AD，BC∥AD，分别求出异面直线AC和PB的方向向量，，根据两个向量的数量积为0，两个向量垂直，得到AC⊥PB
（Ⅱ）求出平面PBC的一个法向量，及平面PAB的一个法向量，代入向量夹角公式，可得二面角C-PB-A的大小．
方法一：
（Ⅰ）证明：设PA=AD=CD=a，
∵AD⊥CD=0，BC=2AD
∴BC=2a
∵BC∥AD且BC⊥CD…（2分）
在Rt△ADC中，，∠ACD=45°
∴△ABC中，∠ACB=45°
由余弦定理AB==a
∴AB2+AC2=BC2
∴∠BAC=90°…（4分）
∵AB是斜线PB在面ABCD内的射影，AC⊥AB，AC⊥PA，PB∩PA=P
故AC⊥平面PAB
又∵PB⊂平面PAB
∴AC⊥PB
（Ⅱ）∵PA⊥面ABCD
∴PA⊥CA
∵CA⊥AB  PA∩PB=A
∴CA⊥面PAB
过点A作AE⊥PB于E，连接CE
则∠AEC即为二面角C-PB-A的平面角α…（9分）
在Rt△PAB中，PB=
∴
在Rt△AEC中，
∵0≤α≤π
∴…（12分）
方法二：
（Ⅰ）证明：如图建立空间直角坐标系D-xyz，
设PA=AD=CD=1
∵AD⊥DC，BC=2AD，BC∥AD
∴BC=2且BC⊥CD…（2分）
则A（1，0，0）B（2，1，0），C（0，1，0）P（1，0，1）
∴=（-1，1，0），=（1，1，-1）
∵•=0
∴，
即AC⊥PB…（6分）
（Ⅱ）∵=（1，-1，1）=（1，1，-1）
设平面PBC的一个法向量为
∵⊥，⊥
∴，=0
∴
取=（0，-1，-1）
同理可取平面PAB的一个法向量为=（1，-1，0）
∴
∴二面角C-PB-A为．