Question

如图，四棱锥P-ABCD中，PB⊥底面ABCD，CD⊥PD，底面ABCD为直角梯形，AD‖BC，AB⊥BC，AB=AD=PB=3，点E在棱PA上，且PE=2EA．
（1）求异面直线PA与CD所成的角；
（2）求证：PC‖平面EBD；
（3）求二面角A-BE-D的大小的余弦值．

Answer

（1）一点B为坐标原点，以BA为x轴，以BC为y轴，以BP为z轴，建立空间直角坐标至B-xyz，根据条件求出和，然后求出这两个向量的所成角即为异面直线CD与PA所成的角；
（2）欲证PC∥平面EBD，根据直线与平面平行的判定定理可知只需证PC与平面EBD内一直线平行连接AC交BD于G，连接EG，根据比例关系可知PC∥EG，而EG⊂平面EBD，PC⊄平面EBD，满足定理所需条件；
（3）先求平面EBD的法向量与平面ABE的法向量，然后利用向量的夹角公式求出此角的余弦值即二面角A-BE-D的大小的余弦值．
【解析】
（1）如图建立空间直角坐标至B-xyz．设BC=a，则
A（3，0，0），P（0，0，3），D（3，3，0），
C（0，a，0）=（3，3-a，0）=（3，3，-3）
∵CD⊥PD∴
∴a=6
∴=（3，-3，0）=（3，0，-3），
因此异面直线CD与PA所成的角为60°（4分）
（2）连接AC交BD于G，连接EG．∵，∴
∴PC∥EG又∵EG⊂平面EBD，PC⊄平面EBD
∴PC∥平面EBD（8分）
（3）设平面EBD的法向量为=（x，y，1），因为=（2，0，1），=（3，3，0）
由得∴x=-，y=
∴又因为平面ABE的法向量为=（0，1，0），
∴所以，cos（）=．即二面角A-BE-D的大小的余弦值为（12分）