Краткий ответ: плоскость \(ABC_1\) является плоскостью диагонального сечения \(ABC_1D_1\). Поэтому отрезок \(AD_1\) лежит в этой плоскости, а значит, и его середина \(O\) тоже лежит в ней.
Доказательство
В параллелепипеде:
\[ \overrightarrow{AD_1}=\overrightarrow{BC_1}, \qquad \overrightarrow{AB}=\overrightarrow{D_1C_1}. \]
Следовательно, четырёхугольник \(ABC_1D_1\) — параллелограмм. Значит, точки \(A,B,C_1,D_1\) лежат в одной плоскости. Так как плоскость через три точки \(A,B,C_1\) единственна, это и есть плоскость \(ABC_1\).
Точки \(A\) и \(D_1\) принадлежат этой плоскости, поэтому весь отрезок \(AD_1\) лежит в ней. Точка \(O\) — середина отрезка \(AD_1\), следовательно,
\[ \boxed{O\in (ABC_1)}. \]
Проверка через векторы:
\[ \overrightarrow{AO} =\frac12\overrightarrow{AD_1} =\frac12\left(\overrightarrow{AC_1}-\overrightarrow{AB}\right). \]
Вектор \(\overrightarrow{AO}\) выражается через направления, лежащие в плоскости \(ABC_1\), поэтому \(O\) принадлежит этой плоскости.
