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- 2021-06-23 发布
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§6.4 平面向量的应用
最新考纲
考情考向分析
会用向量方法解决某些简单的平面几何问题.
主要考查平面向量与函数、三角函数、不等式、数列、解析几何等综合性问题,求参数范围、最值等问题是考查的热点,一般以选择题、填空题的形式出现,偶尔会出现在解答题中,属于中档题.
1.向量在平面几何中的应用
(1)用向量解决常见平面几何问题的技巧:
问题类型
所用知识
公式表示
线平行、点共线等问题
共线向量定理
a∥b⇔a=λb⇔x1y2-x2y1=0,
其中a=(x1,y1),b=(x2,y2),b≠0
垂直问题
数量积的运算性质
a⊥b⇔a·b=0⇔x1x2+y1y2=0,
其中a=(x1,y1),b=(x2,y2),且a,b为非零向量
夹角问题
数量积的定义
cosθ=(θ为向量a,b的夹角),其中a,b为非零向量
长度问题
数量积的定义
|a|==,
其中a=(x,y),a为非零向量
(2)用向量方法解决平面几何问题的步骤
平面几何问题向量问题解决向量问题解决几何问题.
2.向量在解析几何中的应用
向量在解析几何中的应用,是以解析几何中的坐标为背景的一种向量描述.它主要强调向量的坐标问题,进而利用直线和圆锥曲线的位置关系的相关知识来解答,坐标的运算是考查的主体.
3.向量与相关知识的交汇
平面向量作为一种工具,常与函数(三角函数)、解析几何结合,常通过向量的线性运算与数量积,向量的共线与垂直求解相关问题.
概念方法微思考
1.根据你对向量知识的理解,你认为可以利用向量方法解决哪些几何问题?
提示 (1)线段的长度问题.(2)直线或线段平行问题.(3)直线或线段垂直问题.(4)角的问题等.
2.如何用向量解决平面几何问题?
提示 用向量表示问题中涉及的几何元素,将平面几何问题转化为向量问题然后通过向量运算,研究几何元素之间的关系,如距离、夹角等问题,最后把运算结果“翻译”成几何关系.
题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)若∥,则A,B,C三点共线.( √ )
(2)在△ABC中,若·<0,则△ABC为钝角三角形.( × )
(3)若平面四边形ABCD满足+=0,(-)·=0,则该四边形一定是菱形.( √ )
(4)已知平面直角坐标系内有三个定点A(-2,-1),B(0,10),C(8,0),若动点P满足:=+t(+),t∈R,则点P的轨迹方程是x-y+1=0.( √ )
题组二 教材改编
2.[P108A组T5]已知△ABC的三个顶点的坐标分别为A(3,4),B(5,2),C(-1,-4),则该三角形为( )
A.锐角三角形 B.直角三角形
C.钝角三角形 D.等腰直角三角形
答案 B
解析 =(2,-2),=(-4,-8),=(-6,-6),
∴||==2,||==4,
||==6,
∴||2+||2=||2,
∴△ABC为直角三角形.
3.[P113A组T1]在平面直角坐标系xOy中,若定点A(1,2)与动点P(x,y)满足·=4,则点P的轨迹方程是____________.
答案 x+2y-4=0
解析 由·=4,得(x,y)·(1,2)=4,即x+2y=4.
题组三 易错自纠
4.在△ABC中,已知=(2,3),=(1,k),且△ABC的一个内角为直角,则实数k的值为________________.
答案 -或或
解析 ①若A=90°,则有·=0,
即2+3k=0,
解得k=-;
②若B=90°,则有·=0,
因为=-=(-1,k-3),
所以-2+3(k-3)=0,解得k=;
③若C=90°,则有·=0,
即-1+k(k-3)=0,
解得k=.
综上所述,k=-或或.
5.在四边形ABCD中,=(1,2),=(-4,2),则该四边形的面积为________.
答案 5
解析 依题意得·=1×(-4)+2×2=0,
所以⊥,所以四边形ABCD的面积为
||·||=××=5.
6.已知点P在圆x2+y2=1上,点A的坐标为(-2,0),O为坐标原点,则·的最大值为________.
答案 6
解析 方法一 由题意知,=(2,0),
令P(cosα,sinα),则=(cosα+2,sinα).
·=(2,0)·(cosα+2,sinα)=2cosα+4≤6,
故·的最大值为6.
方法二 由题意知,=(2,0),令P(x,y),-1≤x≤1,
则·=(2,0)·(x+2,y)=2x+4≤6,
故·的最大值为6.
第1课时 平面向量在几何中的作用
题型一 向量在平面几何中的应用
命题点1 向量和平面几何知识的综合
例1(1)如图,在梯形ABCD中,AB∥CD,CD=2,∠BAD=,若·=2·,则·=________.
答案 12
解析 (1)方法一 因为·=2·,
所以·-·=·,
所以·=·.
因为AB∥CD,CD=2,∠BAD=,
所以2||=||||cos,化简得||=2.
故·=·(+)=||2+·
=(2)2+2×2cos=12.
方法二 如图,建立平面直角坐标系xAy.
依题意,可设点D(m,m),
C(m+2,m),B(n,0),
其中m>0,n>0,
则由·=2·,
得(n,0)·(m+2,m)=2(n,0)·(m,m),
所以n(m+2)=2nm,化简得m=2.
故·=(m,m)·(m+2,m)=2m2+2m=12.
(2)(2018·浙江联盟校联考)已知动点P是边长为的正方形ABCD的边上任意一点,MN是正方形ABCD的外接圆O的一条动弦,且MN=,则·的取值范围是________.
答案
解析 如图,取MN的中点H,连接PH,则=+=-,=+,因为MN=,所以·=2-2=2-≥-,当且仅当点P,H重合时取到最小值.当P,H不重合时,连接PO,OH,易得OH=,则2=(+)2=2+2·+2=2+-2||·||cos∠POH=2+-||cos∠POH≤2++||≤+,当且仅当P,O,H三点共线,且P在A,B,C,D其中某一点处时取到等号,所以·=2-≤+1,故·的取值范围为.
命题点2 三角形的“四心”
例2已知O是平面上的一定点,A,B,C是平面上不共线的三个动点,若动点P满足=+λ(+),λ∈(0,+∞),则点P的轨迹一定通过△ABC的( )
A.内心 B.外心
C.重心 D.垂心
答案 C
解析 由原等式,得-=λ(+),即=λ(+),根据平行四边形法则,知+是△ABC的中线AD(D为BC的中点)所对应向量的2倍,所以点P的轨迹必过△ABC的重心.
引申探究
1.在本例中,若动点P满足=+λ,λ∈(0,+∞),则如何选择?
答案 A
解析 由条件,得-=λ,
即=λ,而和分别表示平行于,的单位向量,故+平分∠BAC,
即平分∠BAC,所以点P的轨迹必过△ABC的内心.
2.在本例中,若动点P满足=+λ,λ∈(0,+∞),则如何选择?
答案 D
解析 由条件,得=λ,
从而·=λ
=λ·+λ·
=0,
所以⊥,
则动点P的轨迹一定通过△ABC的垂心.
命题点3 平面向量与解三角形
例3(1)O是△ABC的外心(三角形外接圆的圆心).若=+,则∠BAC等于( )
A.30°B.45°C.60°D.90°
答案 C
解析 取BC的中点D,连接AD,则+=2.
由题意得3=2,
∴AD为BC的中线且O为重心.又O为外心,
∴△ABC为正三角形,
∴∠BAC=60°,故选C.
(2)在△ABC中,AB=8,AC=6,AD垂直BC于点D,E,F分别为AB,AC的中点,若·=6,则BC等于( )
A.2 B.10
C.2 D.14
答案 A
解析 由题意,知DE=AE=4,DF=AF=3,
∵·=||·||·cos∠EDF
=||·||·
===6,
∴||=,∴BC=2.
思维升华向量与平面几何综合问题的解法
(1)坐标法
把几何图形放在适当的坐标系中,则有关点与向量就可以用坐标表示,这样就能进行相应的代数运算和向量运算,从而使问题得到解决.
(2)基向量法
适当选取一组基底,沟通向量之间的联系,利用向量间的关系构造关于未知量的方程进行求解.
跟踪训练1 (1)(2018·杭州二模)设P为△ABC所在平面上一点,且满足3+4=m(m>0).若△ABP的面积为8,则△ABC的面积为________.
答案 14
解析 由3+4=m,
可得+=,
可设=+,
则D,A,C共线,且D在线段AC上,
可得=,
∴D分AC的比为4∶3,
∴C到直线AB的距离等于P到直线AB的距离的倍,
故S△ABC=S△ABP=×8=14.
(2)(2018·浙江十校联盟适应性考试)已知正方形ABCD的边长为6,点E,F分别在边AD,BC上,且DE=EA,CF=2FB,如果对于常数λ,在正方形ABCD
的四条边上(不含顶点)有且仅有2个不同的点P,使得·=λ,则λ的取值范围为________.
答案
解析 由题意作出图形如图所示,连接EF,取EF的中点G,连接PG,则·=(+)·(+)=(+)·(-)=2-2=2-2=2-.由已知和图形可得以点G为圆心,PG为半径的圆只能与AB相交,与BC,AD,CD相离,得PG∈,易得λ∈.
题型二 向量在解析几何中的应用
命题点1 向量共线的应用
例4 (1)已知向量=(k,12),=(4,5),=(10,k),且A,B,C三点共线,当k<0时,若k为直线的斜率,则过点(2,-1)的直线方程为________________.
(2)已知梯形ABCD,其中AB∥CD,且DC=2AB,三个顶点A(1,2),B(2,1),C(4,2),则点D的坐标为________.
答案 (1)2x+y-3=0 (2)(2,4)
解析 (1)∵=-=(4-k,-7),
=-=(6,k-5),且∥,
∴(4-k)(k-5)+6×7=0,
解得k=-2或k=11.
由k<0可知k=-2,则过点(2,-1)且斜率为-2的直线方程为y+1=-2(x-2),即2x+y-3=0.
(2)∵在梯形ABCD中,DC=2AB,AB∥CD,∴=2.
设点D的坐标为(x,y),
则=(4,2)-(x,y)=(4-x,2-y),
=(2,1)-(1,2)=(1,-1),
∴(4-x,2-y)=2(1,-1),即(4-x,2-y)=(2,-2),
∴解得
故点D的坐标为(2,4).
命题点2 解析几何中的最值问题
例5 (1)(2018·浙江镇海中学模拟)已知点P在双曲线-=1上,点A满足=(t-1)(t∈R),且·=64,=(0,1),则|·|的最大值为( )
A.B.C.D.
答案 B
解析 ∵=(t-1),∴=t,
∴(xA,yA)=t(xP,yP).又点(xP,yP)在双曲线上,
∴-=1,∴x=+16t2,①
∵·=64,∴||·||=|t|||2=64,
∴|t|=64,将①代入上式整理得
+16|t|=64,
即64=+16|t|≥2=|yA|,
当且仅当|t|=时取等号,∴|yA|≤,
|·|=|(0,1)·(xA,yA)|=≤.
∴|·|的最大值为.
(2)(2018·绍兴市适应性考试)已知正三角形ABC的边长为4,O是平面ABC内的动点,且∠AOB=,则·的最大值为________.
答案
解析 设△ABC的外接圆为⊙O′,则⊙O′的直径,2R==,∴R=,
以O′为原点,以O′C为y轴建立平面坐标系如图所示,
则=(4,0),∵∠AOB=∠ACB=,∴O的轨迹为优弧,设=(a,b),显然当O为圆O′与x轴负半轴的交点时,a取得最大值.∴·=4a≤,即·的最大值为.
命题点3 平面向量与几何动点问题
例6 (1)(2018·杭州二中交流卷)已知矩形ABCD的面积为2,M,N分别是AD,BC的中点,点P为线段MN上的动点,则·P+2的最小值是________.
答案
解析 分别以AB,AD所在直线为x,y轴建立平面直角坐标系,A为坐标原点,设B(m,0),M(0,n),P(x,n)(m>0,n>0),
则mn=1,=(-x,-n),=(m-x,-n).
·+2=x2-mx+n2+m2
=2+n2+m2≥n2+m2,
而n2+m2≥mn=,
故当x=且n=m,即当m=,n=,
x=时,·+2取最小值.
(2)(2018·绍兴、诸暨期末)已知△ABC,满足+=,点D为线段AB上一动点,若·的最小值为-3,则△ABC的面积S等于( )
A.9B.9C.18D.18
答案 D
解析 因为+=+,
所以由平面向量的基本定理得==,记||=3m,||=2m(其中m>0),则由|+|=m,得cosA=,设=t(-1≤t≤0),故·=t·(t+)=3m2(3t2+t)≥-m2=-3,即m2=12,
因此S△ABC=||·||sinA=18,故选D.
思维升华向量在解析几何中的“两个”作用
(1)载体作用:向量在解析几何问题中出现,多用于“包装”,解决此类问题的关键是利用向量的意义、运算脱去“向量外衣”,导出曲线上点的坐标之间的关系,从而解决有关距离、斜率、夹角、轨迹、最值等问题.
(2)工具作用:利用a⊥b⇔a·b=0(a,b为非零向量),a∥b⇔a=λb(b≠0),可解决垂直、平行问题,特别地,向量垂直、平行的坐标表示对于解决解析几何中的垂直、平行问题是一种比较简捷的方法.
跟踪训练2 (1)已知点A在椭圆+=1上,点P满足=(λ-1)·(λ∈R)(O是坐标原点),且·=72,则线段OP在x轴上投影的最大值为________.
答案 15
解析 因为=(λ-1),所以=λ,
即O,A,P三点共线,因为·=72,
所以·=λ||2=72,
设A(x,y),OA与x轴正方向的夹角为θ,线段OP在x轴上的投影为|||cosθ|=|λ||x|===≤=15,
当且仅当|x|=时取等号.
(2)(2018·浙江宁波高三适应性考试)已知点M为单位圆x2+y2=1上的动点,点O为坐标原点,点A在直线x=2上,则·的最小值为________.
答案 2
解析 由题意得·=(+)·=||2+·=||2+||cosθ,其中θ为向量和的夹角,因为点A在直线x=2上,所以||≥2,则由二次函数的性质易得当||=2时,·=||2+||cosθ取得最小值4+2cosθ,则当cosθ=-1,即向量和方向相反时,·取得最小值2.
1.在△ABC中,(+)·=||2,则△ABC的形状一定是( )
A.等边三角形 B.等腰三角形
C.直角三角形 D.等腰直角三角形
答案 C
解析 由(+)·=||2,
得·(+-)=0,
即·(++)=0,2·=0,∴⊥,
∴A=90°.又根据已知条件不能得到||=||,
故△ABC一定是直角三角形.
2.已知点A(-2,0),B(3,0),动点P(x,y)满足·=x2,则点P的轨迹是( )
A.圆 B.椭圆
C.双曲线 D.抛物线
答案 D
解析 ∵=(-2-x,-y),=(3-x,-y),
∴·=(-2-x)(3-x)+y2=x2,
∴y2=x+6,即点P的轨迹是抛物线.
3.(2018·湖州质检)已知O是△ABC的外心,∠C=45°,若=m+n(m,n∈R),则m+n
的取值范围是( )
A.[-,] B.[-,1)
C.[-,-1) D.(1,]
答案 B
解析 ∵O是△ABC的外心,∠C=45°,
∴∠AOB=90°,又=m+n,
两边平方可得m2+n2=1,∴(m+n)2≤2(m2+n2)=2,
当且仅当m=n时,等号成立,∴-≤m+n≤.
又由题意可知,m,n不能同时为正,∴m+n<1,
故m+n的取值范围是[-,1).
4.(2018·温州高考适应性测试)如图,已知△ABC的边BC的垂直平分线交BC于点Q,交AC于点P,若||=1,||=2,则·的值为( )
A.3 B.
C. D.
答案 B
解析 连接AQ,因为PQ垂直平分BC,所以⊥,=(+),所以·=(+)·=·=(+)·(-)=(2-2)=(22-12)=.故选B.
5.过抛物线y2=2px(p>0)的焦点F的直线l与抛物线在第一象限的交点为A,与抛物线的准线的交点为B,点A在抛物线的准线上的射影为C,若=,·=48,则抛物线的方程为( )
A.y2=8x B.y2=4x
C.y2=16x D.y2=4x
答案 B
解析 如图所示,由=,得F为线段AB的中点,
∵|AF|=|AC|,∴∠ABC=30°,
由·=48,得|BC|=4.
则|AC|=4,∴由中位线的性质,
有p=|AC|=2,
故抛物线的方程为y2=4x.故选B.
6.(2018·浙江六校协作体联考)已知O为坐标原点,=(3,1),||=,当△AOB的面积取得最大值时,等于( )
A.(-2,-4) B.(-4,2)
C.(-2,-4)或(-4,2) D.(-2,-4)或(4,2)
答案 C
解析 方法一 由于||=,则点B在以点O(0,0)为圆心,为半径的圆上,由数形结合易知,要使△AOB的面积取得最大值,则需满足⊥.设=(a,b),则解得或
当时,=(1,-3),
则=-=(1,-3)-(3,1)=(-2,-4);
当时,=(-1,3),
则=-=(-1,3)-(3,1)=(-4,2).
综上,=(-2,-4)或(-4,2).故选C.
方法二 由于||=,则点B在以点O(0,0)为圆心,为半径的圆上,由数形结合易知,要使△AOB的面积取得最大值,则需满足⊥.在平面直角坐标系中,画出向量,,
当如图1所示时,过点A作AA′⊥x轴于点A′,过点B作BB′⊥x轴于点B′,则∠OBB′=∠AOA′,又||=||,所以Rt△AOA′≌Rt△OBB′,则|OB′|=|AA′|=1,|BB′|=|OA
′|=3,所以B(1,-3),=(1,-3),=(1,-3)-(3,1)=(-2,-4),
当如图2所示时,同理可得B(-1,3),=(-1,3),=(-1,3)-(3,1)=(-4,2),
综上,=(-2,-4)或(-4,2).故选C.
7.已知向量=(3,-4),=(0,-3),=(5-m,-3-m),若点A,B,C能构成三角形,则实数m满足的条件是________.
答案 m≠
解析 由题意得=(-3,1),=(2-m,1-m),若A,B,C能构成三角形,则,不共线,则-3×(1-m)≠1×(2-m),解得m≠.
8.(2009·浙江改编)设向量a,b满足:|a|=3,|b|=4,a·b=0,以a,b,a-b的模为边长构成三角形,则它的边与半径为1的圆的公共点个数最多为________.
答案 4
解析 由|a|=3,|b|=4及a·b=0知a⊥b,故a,b,a-b构成直角三角形,且|a-b|=5.又其内切圆半径为=1.如图所示.将内切圆向上或向下平移可知该圆与该直角三角形最多有4个交点.
9.已知圆C:(x-2)2+y2=4,圆M:(x-2-5cosθ)2+(y-5sinθ)2=1(θ∈R),过圆M上任意一点P作圆C的两条切线PE,PF,切点分别为E,F,则·的最小值是________.
答案 6
解析 圆C:(x-2)2+y2=4的圆心为C(2,0),半径等于2,圆M:(x-2-5cosθ)2+(y-5sinθ)2=1,
圆心M(2+5cosθ,5sinθ),半径等于1.
∵|CM|=5>2+1,∴两圆相离.
如图所示,设直线CM和圆M交于H,G两点,
则·的最小值是·.
|HC|=|CM|-1=5-1=4,
|HE|=|HF|===2,
sin∠CHE==,
∴cos∠EHF=cos2∠CHE=1-2sin2∠CHE=,
∴·=||·||cos∠EHF
=2×2×=6.
10.已知点D为△ABC所在平面上一点,且满足=-,若△ACD的面积为1,则△ABD的面积为________.
答案 4
解析 由=-,得5=+4,
所以-=4(-),即=4.
所以点D在边BC上,且||=4||,
所以S△ABD=4S△ACD=4.
11.已知直线2x+y+2=0与x轴、y轴的交点分别为A,B,椭圆+=1(a>b>0)的左焦点F1和上顶点D,若·=0,则该椭圆的离心率e=________.
答案
解析 因为直线2x+y+2=0与x轴、y轴的交点分别为A,B,所以A(-1,0),B(0,-2),又F1(-c,0),D(0,b),
所以=(-c,2),=(1,b).因为·=0,
所以-c+2b=0,所以=,即=,所以=,
所以该椭圆的离心率e==.
12.如图,设正△BCD的外接圆O的半径为R,点A在BD下方的圆弧上,则·的最小值为________.
答案 -
解析 因为·
=·=||2-||
=(||-1)2-,
因为R≤||≤2R,而0,b>0)的左、右焦点,点P在第一象限,且满足||=a,(+)·=0,线段PF2与双曲线C交于点Q,若=5,则双曲线C
的渐近线方程为( )
A.y=±x B.y=±x
C.y=±x D.y=±x
答案 B
解析 由(+)·=0,
可得||=||=2c,|QF1|=a,|QF2|=,
在△QF1F2中,由余弦定理得,
cos∠F1F2Q==,
即=,∴c=a,b=a,∴双曲线的渐近线方程为y=±x.
14.(2018·浙江杭州市地区联考)在△ABC中,AB=5,AC=4,∠BAC=60°,M为△ABC内一点,S△MAB∶S△MCB∶S△MAC=1∶2∶3,则·等于( )
A.B.-C.D.-
答案 C
解析 如图,延长BM交AC于点D,由S△MAB∶S△MCB∶S△MAC=1∶2∶3,可得S△MAC=S△CAB,所以M为BD的中点,设===k,则S△ABD=kS△CBD,S△AMD=kS△CMD,
两式相减得S△MAB=kS△MCB,故k=.
所以=+=-
=-=--,
=+=+
=+=-.
所以·=·
=-2+2-·
=-×16+×25-×5×4×=.
15.(2018·杭州市高级中学仿真测试)记min{a,b}=已知向量a,b,c满足|a|=1,|b|=2,且a·b=1,若c=λa+μb(λ,μ≥0,且λ+2μ=1),则当min{a·c,b·c}取最大值时,|c|=________.
答案 1
解析 设向量a与b的夹角为θ,则a·b=|a||b|cosθ=2cosθ=1,所以cosθ=,所以θ=60°,不妨设a=(1,0),b=(1,),则c=(λ+μ,μ)=(1-μ,μ),所以a·c=1-μ,b·c=1+2μ.由μ≥0,得1-μ≤1+2μ,所以min{a·c,b·c}=1-μ,因为λ=1-2μ≥0,解得μ≤,所以μ∈,所以当μ=0时,min{a·c,b·c}取得最大值,此时c=(1,0),则|c|=1.
16.(2018·台州质检)在△ABC中,内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,点P是其外接圆O上的任意一点,若a=2,b=c=,则2+2+2的最大值为______.
答案
解析 以BC的中点O′为原点,以所在方向为x轴正方向,所在方向为y轴正方向,建立平面直角坐标系,则A(0,2),B(-,0),C(,0),可得外接圆的圆心O为,半径为,所以圆O的方程为x2+2=.设P,
则=,
=,
=,
所以2+2+2=2+2+2+2+2+2=-sinα≤+=.