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- 2021-05-13 发布
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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
向量共线定理
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
cos θ=(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.平面向量在物理中的应用
(1)由于物理学中的力、速度、位移都是矢量,它们的分解与合成与向量的加法和减法相似,可以用向量的知识来解决.
(2)物理学中的功是一个标量,是力F与位移s的数量积,即W=F·s=|F||s|cos θ(θ为F与s的夹角).
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.
【知识拓展】
1.若G是△ABC的重心,则++=0.
2.若直线l的方程为Ax+By+C=0,则向量(A,B)与直线l垂直,向量(-B,A)与直线l平行.
【思考辨析】
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)求力F1和F2的合力可按照向量加法的平行四边形法则.( √ )
(3)若a·b>0,则a和b的夹角为锐角;若a·b<0,则a和b的夹角为钝角.( × )
(4)在△ABC中,若·<0,则△ABC为钝角三角形.( × )
(5)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.( √ )
1.已知向量a=(cos θ,sin θ),b=(,-1),则|2a-b|的最大值为________.
答案 4
解析 设a与b夹角为α,
∵|2a-b|2=4a2-4a·b+b2
=8-4|a||b|cos α=8-8cos α,
∵α∈[0,π],∴cos α∈[-1,1],
∴8-8cos α∈[0,16],即|2a-b|2∈[0,16],
∴|2a-b|∈[0,4].
∴|2a-b|的最大值为4.
2.(教材改编)已知力F=(2,3)作用在一物体上,使物体从A(2,0)移动到B(-2,3),则F对物体所做的功为________焦耳.
答案 1
解析 由已知位移=(-4,3),
∴力F做的功为W=F·=2×(-4)+3×3=1.
3.(2016·泰州模拟)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____________(填“内心”、“外心”、“重心”或“垂心”).
答案 x+2y-4=0
解析 由·=4,得(x,y)·(1,2)=4,
即x+2y=4.
4.在△ABC中,M是BC的中点,AM=1,点P在AM上且满足=2,则·(+)=________.
答案 -
解析 因为M是BC的中点,所以+=2,
所以·(+)=-·=-.
5.如图,△ABC是边长为2的等边三角形,P是以C为圆心,1为半径的圆上的任意一点,则(·)min=________.
答案 1
解析 取AB的中点D,连结CD、CP(图略).
所以·=(+)·(+)
=·+·(+)+2
=(2)2×-·2+1=7-6cos〈,〉,
当cos〈,〉=1时,·取得最小值1.
题型一 向量在平面几何中的应用
例1 (1)在平行四边形ABCD中,AD=1,∠BAD=60°,E为CD的中点.若·=1,则AB=________.
(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________.(填“内心”“外心”“重心”或“垂心”)
答案 (1) (2)重心
解析 (1)在平行四边形ABCD中,取AB的中点F,则=,∴==-,
又∵=+,
∴·=(+)·(-)
=2-·+·-2
=||2+||||cos 60°-||2
=1+×||-||2=1.
∴||=0,又||≠0,∴||=.
(2)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
在本例(2)中,若动点P满足=+λ,λ∈(0,+∞),则点P的轨迹一定通过△ABC的________.(填“内心”“外心”“重心”“垂心”)
答案 内心
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.
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.
(1)在△ABC中,已知向量与满足(+)·=0,且·=,则△ABC的形状为__________三角形.
(2)已知直角梯形ABCD中,AD∥BC,∠ADC=90°,AD=2,BC=1,P是腰DC上的动点,则|+3|的最小值为________.
答案 (1)等边 (2)5
解析 (1),分别为平行于,的单位向量,由平行四边形法则可知+为∠BAC的平分线.因为(+)·=0,所以∠BAC的平分线垂直于BC,所以AB=AC.
又·=··cos∠BAC=,所以cos∠BAC=,又0<∠BAC<π,故∠BAC=,所以△ABC为等边三角形.
(2)以D为原点,分别以DA,DC所在直线为x轴、y轴建立如图所示的平面直角坐标系,设DC=a,DP=y.
则D(0,0),A(2,0),C(0,a),B(1,a),
P(0,y),
=(2,-y),=(1,a-y),
则+3=(5,3a-4y),
即|+3|2=25+(3a-4y)2,
由点P是腰DC上的动点,知0≤y≤a.
因此当y=a时,|+3|2的最小值为25.
故|+3|的最小值为5.
题型二 向量在解析几何中的应用
例2 (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)设O为坐标原点,C为圆(x-2)2+y2=3的圆心,且圆上有一点M(x,y)满足·=0,则=____.
答案 (1)2x+y-3=0 (2)±
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)∵·=0,∴OM⊥CM,
∴OM是圆的切线,设OM的方程为y=kx,
由=,得k=±,即=±.
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.
(2016·盐城模拟)如图所示,半圆的直径AB=6,O为圆心,C为半圆上不同于A、B的任意一点,若P为半径OC上的动点,则(+)·的最小值为________.
答案 -
解析 ∵圆心O是直径AB的中点,
∴+=2,∴(+)·=2·,
∵与共线且方向相反,
∴当大小相等时,乘积最小.由条件知,当PO=PC=时,最小值为-2××=-.
题型三 向量的其他应用
命题点1 向量在不等式中的应用
例3 已知x,y满足若=(x,1),=(2,y),且·的最大值是最小值的8倍,则实数a的值是________.
答案
解析 因为=(x,1),=(2,y),所以·=2x+y,令z=2x+y,依题意,不等式组所表示的可行域如图中阴影部分所示(含边界),观察图象可知,当目标函数z=2x+y过点C(1,1)时,zmax=2×1+1=3,目标函数z=2x+y过点F(a,a)时,zmin=2a+a=3a,所以3=8×3a,解得a=.
命题点2 向量在解三角形中的应用
例4 在△ABC中,角A,B,C的对边分别是a,b,c,若20a+15b+12c=0,则△ABC最小角的正弦值等于________.
答案
解析 ∵20a+15b+12c=0,
∴20a(-)+15b+12c=0,
∴(20a-15b)+(12c-20a)=0,
∵与不共线,
∴⇒
∴△ABC最小角为角A,
∴cos A=
==,
∴sin A=.
命题点3 向量在物理中的应用
例5 如图,一质点受到平面上的三个力F1,F2,F3(单位:牛顿)的作用而处于平衡状态.已知F1,F2成60°角,且F1,F2的大小分别为2和4,则F3的大小为________.
答案 2
解析 如题图所示,由已知得F1+F2+F3=0,则F3=-(F1+F2),即F=F+F+2F1·F2=F+F+2|F1|·|F2|·cos 60°=28.故|F3|=2.
思维升华 利用向量的载体作用,可以将向量与三角函数、不等式结合起来,解题时通过定义或坐标运算进行转化,使问题的条件结论明晰化.
(2016·扬州模拟)如图,在同一平面内,点A位于两平行直线m,n的同侧,且A到m,n的距离分别为1,3.点B,C分别在m,n上,|+|=5,则·的最大值是________.
答案
解析 方法一 以直线n为x轴,过A且垂直于n的直线为y轴,
建立如图所示的直角坐标系,则A(0,3),B(x1,2),C(x2,0),从而=(x1,-1),=(x2,-3),则·=x1x2+3,又因为|+|=5,即=5,故(x1+x2)2=9≥4x1x2,从而x1x2≤,此时·=x1x2+3≤,当且仅当x1=x2时等号成立.
方法二 设P为BC的中点,则+=2,
从而由|+|=5得||=,
又·=(+)·(+)
=2-2=-2,
因为||≥2,所以2≥1,故·≤-1=,
当且仅当||=2时等号成立.
三审图形抓特点
典例 (2016·苏州一模)已知A,B,C,D是函数y=sin(ωx+φ)一个周期内的图象上的四个点,如图所示,A,B为y轴上的点,C为图象上的最低点,E为该函数图象的一个对称中心,B与D关于点E对称,在x轴上的投影为,则ω,φ的值分别为______________.
―→―→
―→
解析 由E为该函数图象的一个对称中心,作点C的对称点M,作MF⊥x轴,垂足为F,如图.B与D关于点E对称,在x轴上的投影为,知OF=.
又A,所以AF===,所以ω=2.同时函数y=sin(ωx+φ)图象可以看作是由y=sin ωx的图象向左平移得到,故可知==,即φ=.
答案 2,
1.(教材改编)已知平面向量a,b,满足|a|=,|b|=2,a·b=-3,则|a+2b|=________.
答案
解析 由题意可得|a+2b|=
==.
2.(教材改编)已知|a|=1,|b|=,且a⊥(a-b),则向量a与向量b的夹角为________.
答案
解析 ∵a⊥(a-b),∴a·(a-b)=a2-a·b=0,
∴a·b=a2,∵|a|=1,|b|=,
∴cos〈a,b〉===,
又∵〈a,b〉∈[0,π],
∴向量a与向量b的夹角为.
3.(2016·南京模拟)已知向量a=(cos α,-2),b=(sin α,1)且a∥b,则sin 2α=________.
答案 -
解析 由a∥b得cos α+2sin α=0,
∴cos α=-2sin α,又sin2α+cos2α=1,
∴5sin2α=1,sin2α=,cos2α=,
sin 2α=2sin αcos α=-cos2α=-.
4.设△ABC的三个内角为A,B,C,向量m=(sin A,sin B),n=(cos B,cos A),若m·n=1+cos(A+B),则C=________.
答案
解析 依题意得sin Acos B+cos Asin B=1+cos(A+B),sin(A+B)=1+cos(A+B),sin C+cos C=1,2sin(C+)=1,sin(C+)=.
又0,
∴|a+b|>|a-b|,又|a-b|2=a2+b2-2a·b=3,
∴|a-b|=.
9.已知|a|=2|b|≠0,且关于x的函数f(x)=x3+|a|x2+a·bx在R上有极值,则向量a与b的夹角的范围是__________.
答案
解析 设a与b的夹角为θ.
∵f(x)=x3+|a|x2+a·bx,
∴f′(x)=x2+|a|x+a·b.
∵函数f(x)在R上有极值,
∴方程x2+|a|x+a·b=0有两个不同的实数根,
即Δ=|a|2-4a·b>0,∴a·b<,
又∵|a|=2|b|≠0,
∴cos θ=<=,即cos θ<,
又∵θ∈[0,π],∴θ∈.
10.(2016·常州期末)如图,直角梯形ABCD中,AB∥CD,∠DAB=90°,AD=AB=4,CD=1,动点P在边BC上,且满足=m+n(m,n均为正实数),则+的最小值为________.
答案
解析 方法一 建立如图所示的平面直角坐标系,则A(0,0),
B(4,0),D(0,4),C(1,4).又kBC=-,故BC:y=-(x-4).又=m+n,=(4,0),=(0,4),所以=(4m,4n),故P(4m,4n),又点P在直线BC上,即3n+4m=4,即4(+)=(3n+4m)·(+)=7++≥7+2=7+4,
所以(+)min=,当且仅当
即m=4-2,n=时取等号(因为m,n均为正实数).
方法二 因为=m+n,
所以=m+n(+)
=m+n-=(m-)+n.
又C,P,B三点共线,故m-+n=1,即m+=1,以下同方法一.
11.已知向量a=(sin(α+),3),b=(1,4cos α),α∈(0,).
(1)若a⊥b,求tan α的值;
(2)若a∥b,求α的值.
解 (1)因为a⊥b,
所以sin(α+)+12cos α=0,
即sin α+cos α+12cos α=0,
即sin α+cos α=0,
又由题意得cos α≠0,所以tan α=-.
(2)若a∥b,则4cos αsin(α+)=3,
即4cos α(sin α+cos α)=3,
所以sin 2α+cos 2α=2.
所以sin(2α+)=1.
因为α∈(0,),所以2α+∈(,),
所以2α+=,即α=.
12.已知点P(0,-3),点A在x轴上,点Q在y轴的正半轴上,点M满足·=0,=-,当点A在x轴上移动时,求动点M的轨迹方程.
解 设M(x,y)为所求轨迹上任一点,
设A(a,0),Q(0,b)(b>0),
则=(a,3),=(x-a,y),=(-x,b-y),
由·=0,得a(x-a)+3y=0. ①
由=-,得
(x-a,y)=-(-x,b-y)=,
∴∴∴b>0,y>0,
把a=-代入①,得-+3y=0,
整理得y=x2(x≠0).
∴动点M的轨迹方程为y=x2(x≠0).
13.已知角A,B,C是△ABC的内角,a,b,c分别是其所对边长,向量m=(2sin ,cos2),n=(cos ,-2),m⊥n.
(1)求角A的大小;
(2)若a=2,cos B=,求b的长.
解 (1)已知m⊥n,
所以m·n=(2sin ,cos2)·(cos ,-2)
=sin A-(cos A+1)=0,
即sin A-cos A=1,即sin(A-)=,
因为0