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- 2021-06-15 发布
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1
§2.4 平面向量的数量积
2.4.1 平面向量数量积的物理背景及其含义(一)
学习目标 1.了解平面向量数量积的物理背景,即物体在力 F 的作用下产生位移 s 所做的
功.2.掌握平面向量数量积的定义和运算律,理解其几何意义.3.会用两个向量的数量积求两
个向量的夹角以及判断两个向量是否垂直.
知识点一 平面向量数量积的物理背景及其定义
一个物体在力 F 的作用下产生位移 s,如图.
思考 1 如何计算这个力所做的功?
答案 W=|F||s|cosθ.
思考 2 力做功的大小与哪些量有关?
答案 与力的大小、位移的大小及它们之间的夹角有关.
梳理
条件 非零向量 a 与 b,a 与 b 的夹角为θ
结论
数量|a||b|cosθ叫做向量 a 与 b 的数量积(或内
积)
记法
向量 a 与 b 的数量积记作 a·b,即 a·b=
|a||b|cosθ
规定 零向量与任一向量的数量积为 0
知识点二 平面向量数量积的几何意义
思考 1 什么叫做向量 b 在向量 a 方向上的投影?什么叫做向量 a 在向量 b 方向上的投影?
答案 如图所示,OA
→
=a,OB
→
=b,过 B作 BB1垂直于直线 OA,垂足为 B1,则 OB1=|b|cosθ.
|b|cosθ叫做向量 b 在 a 方向上的投影,|a|cosθ叫做向量 a 在 b 方向上的投影.
2
思考 2 向量 b 在向量 a 方向上的投影与向量 a 在向量 b 方向上的投影相同吗?
答案 由投影的定义知,二者不一定相同.
梳理 (1)条件:向量 a 与 b 的夹角为θ.
(2)投影
向量 b 在 a方向上的投影
|b|cos
θ
向量 a 在 b方向上的投影
|a|cos
θ
(3)a·b 的几何意义:
数量积 a·b 等于 a 的长度|a|与 b 在 a 的方向上的投影|b|cosθ的乘积.
知识点三 平面向量数量积的性质
思考 1 向量的数量积运算结果和向量的线性运算的结果有什么区别?
答案 向量的线性运算结果是向量,而向量的数量积是数量.
思考 2 非零向量的数量积是否可为正数,负数和零,其数量积的符号由什么来决定?
答案 由两个非零向量的夹角决定.
当 0°≤θ<90°时,非零向量的数量积为正数.
当θ=90°时,非零向量的数量积为零.
当 90°<θ≤180°时,非零向量的数量积为负数.
梳理 设向量 a 与 b 都是非零向量,它们的夹角为θ,
(1)a⊥b⇔a·b=0.
(2)当 a∥b 时,a·b=
|a||b|,a 与 b 同向,
-|a||b|,a 与 b 反向.
(3)a·a=|a|2或|a|= a·a.
(4)cosθ=
a·b
|a||b|
.
(5)|a·b|≤|a||b|.
1.向量数量积的运算结果是向量.( × )
2.向量 a 在向量 b 上的投影一定是正数.( × )
3
3.在等边△ABC 中,向量AB
→
与向量BC
→
夹角为 60°.( × )
提示 向量AB
→
与向量BC
→
夹角为 120°.
类型一 求两向量的数量积
例 1 已知正三角形 ABC 的边长为 1,求:
(1)AB
→
·AC
→
;(2)AB
→
·BC
→
;(3)BC
→
·AC
→
.
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
解 (1)∵AB
→
与AC
→
的夹角为 60°.
∴AB
→
·AC
→
=|AB
→
||AC
→
|cos60°=1×1×
1
2
=
1
2
.
(2)∵AB
→
与BC
→
的夹角为 120°,
∴AB
→
·BC
→
=|AB
→
||BC
→
|cos120°
=1×1×
-
1
2 =-
1
2
.
(3)∵BC
→
与AC
→
的夹角为 60°,
∴BC
→
·AC
→
=|BC
→
||AC
→
|cos60°=1×1×
1
2
=
1
2
.
反思与感悟 求平面向量数量积的两个方法
(1)定义法:若已知向量的模及其夹角,则直接利用公式 a·b=|a||b|cosθ.
运用此法计算数量积的关键是正确确定两个向量的夹角,条件是两向量的始点必须重合,否
则,要通过平移使两向量符合以上条件.
(2)几何意义法:若已知一向量的模及另一向量在该向量方向上的投影,可利用数量积的几何
意义求 a·b.
跟踪训练 1 已知|a|=4,|b|=7,且向量 a与 b 的夹角为 120°,求(2a+3b)·(3a-2b).
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
4
解 (2a+3b)·(3a-2b)
=6a2-4a·b+9b·a-6b2
=6|a|2
+5a·b-6|b|2
=6×4
2
+5×4×7·cos120°-6×7
2
=-268.
类型二 求向量的模
例 2 已知|a|=|b|=5,向量 a 与 b 的夹角为
π
3
,求|a+b|,|a-b|.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的模
解 a·b=|a||b|cosθ=5×5×
1
2
=
25
2
.
|a+b|= a+b 2
= |a|2+2a·b+|b|2
= 25+2×
25
2
+25=5 3.
|a-b|= a-b 2
= |a|2
-2a·b+|b|2
= 25-2×
25
2
+25=5.
引申探究
若本例中条件不变,求|2a+b|,|a-2b|.
解 a·b=|a||b|cosθ=5×5×
1
2
=
25
2
,
|2a+b|= 2a+b 2
= 4|a|2
+4a·b+|b|2
= 4×25+4×
25
2
+25=5 7.
|a-2b|= a-2b 2
= |a|2
-4a·b+4|b|2
= 25-4×
25
2
+4×25=5 3.
反思与感悟 求解向量模的问题就是要灵活应用 a2
=|a|2
,即|a|= a2
,勿忘记开方.
跟踪训练 2 已知|a|=1,|b|=3,且|a-b|=2,求|a+b|.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的模
解 方法一 ∵|a-b|2
=(a-b)2
=a2
-2a·b+b2
5
=1+9-2a·b=4,∴a·b=3.
∴|a+b|2=(a+b)2=a2+2a·b+b2
=1+9+2×3=16,∴|a+b|=4.
方法二 ∵|a-b|2
=(a-b)2
=a2
-2a·b+b2
,
|a+b|2=(a+b)2=a2+2a·b+b2,
∴|a-b|2+|a+b|2=2a2+2b2=2×1+2×9=20.
又|a-b|=2,∴|a+b|2
=16,∴|a+b|=4.
类型三 求向量的夹角
例 3 (1)设 n 和 m 是两个单位向量,其夹角是 60°,求向量 a=2m+n 与 b=2n-3m 的夹角.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的夹角
解 ∵|n|=|m|=1 且 m 与 n 夹角是 60°,
∴m·n=|m||n|cos60°=1×1×
1
2
=
1
2
.
|a|=|2m+n|= 2m+n 2
= 4×1+1+4m·n
= 4×1+1+4×
1
2
= 7,
|b|=|2n-3m|= 2n-3m 2
= 4×1+9×1-12m·n
= 4×1+9×1-12×
1
2
= 7,
a·b=(2m+n)·(2n-3m)=m·n-6m2+2n2
=
1
2
-6×1+2×1=-
7
2
.
设 a 与 b 的夹角为θ,
则 cosθ=
a·b
|a||b|
=
-
7
2
7× 7
=-
1
2
.
又∵θ∈[0,π],∴θ=
2π
3
,故 a与 b 的夹角为
2π
3
.
(2)已知非零向量 a,b 满足|a|=|b|=|a+b|,求 a 与 a+b 的夹角及 a 与 a-b 的夹角.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的夹角
解 如图所示,在平面内取一点 O,作OA
→
=a,OB
→
=b,以 OA,OB 为邻边作平行四边形 OACB,
6
使|OA
→
|=|OB
→
|,
∴四边形 OACB 为菱形,OC 平分∠AOB,
这时OC
→
=a+b,BA
→
=a-b.
由于|a|=|b|=|a+b|,即|OA
→
|=|AC
→
|=|OC
→
|,
∴∠AOC=60°,即 a 与 a+b 的夹角为 60°.
∵∠AOC=60°,∴∠AOB=120°,
又|OA
→
|=|OB
→
|,∴∠OAB=30°,
即 a与 a-b的夹角为 30°.
反思与感悟 (1)求向量的夹角,主要是利用公式 cosθ=
a·b
|a||b|
求出夹角的余弦值,从而求
得夹角.可以直接求出 a·b 的值及|a|,|b|的值,然后代入求解,也可以寻找|a|,|b|,a·b
三者之间的关系,然后代入求解.
(2)求向量的夹角,还可结合向量线性运算、模的几何意义,利用数形结合的方法求解.
(3)求向量的夹角时,注意向量夹角的范围是[0,π].
跟踪训练 3 已知|a|=|b|=2,(a+2b)·(a-b)=-2,求 a 与 b 的夹角.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的夹角
解 ∵(a+2b)·(a-b)=|a|2
-2|b|2
+a·b=-2.
|a|=|b|=2,∴a·b=2,
设 a与 b 的夹角为θ,∴cosθ=
a·b
|a||b|
=
1
2
,
又∵θ∈[0,π],∴θ=
π
3
.
1.已知|a|=1,|b|=2,a 与 b 的夹角为
π
3
,则 a·b 等于( )
A.1B.2C.3D.4
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
7
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 A
解析 a·b=1×2×cos
π
3
=1,故选 A.
2.在等腰直角三角形 ABC 中,若∠C=90°,AC= 2,则BA
→
·BC
→
的值等于( )
A.-2B.2C.-2 2D.2 2
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 B
解析 BA
→
·BC
→
=|BA
→
||BC
→
|cos∠ABC=2× 2×cos45°=2.
3.已知|a|=8,|b|=4,〈a,b〉=120°,则向量 b 在 a 方向上的投影为( )
A.4B.-4C.2D.-2
考点 平面向量的投影
题点 求向量的投影
答案 D
解析 向量 b在 a 方向上的投影为
|b|cos〈a,b〉=4×cos120°=-2.
4.已知菱形 ABCD 的边长为 a,∠ABC=60°,则BD
→
·CD
→
等于( )
A.-
3
2
a2
B.-
3
4
a2
C.
3
4
a2
D.
3
2
a2
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 D
解析 如图所示,由题意,得 BC=a,CD=a,∠BCD=120°.
∴BD
→
·CD
→
=(BC
→
+CD
→
)·CD
→
=BC
→
·CD
→
+CD
→2
8
=a·a·cos60°+a2
=
3
2
a2
.
5.已知向量 a,b 的夹角为 60°,且|a|=2,|b|=1,若 c=2a-b,d=a+2b,求:(1)c·d;
(2)|c+2d|.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的模
解 (1)c·d=(2a-b)·(a+2b)=2a2-2b2+3a·b
=2×4-2×1+3×2×1×
1
2
=9.
(2)|c+2d|2=(4a+3b)2=16a2+9b2+24a·b
=16×4+9×1+24×2×1×
1
2
=97,
∴|c+2d|= 97.
1.两向量 a 与 b 的数量积是一个实数,不是一个向量,其值可以为正(当 a≠0,
b≠0,0°≤θ<90°时),也可以为负(当 a≠0,b≠0,90°<θ≤180°时),还可以为 0(当 a
=0 或 b=0或θ=90°时).
2.两个向量的数量积是两个向量之间的一种运算,与实数乘实数、实数乘向量的乘法运算是
有区别的,在书写时一定要把它们严格区分开来,绝不可混淆.
3.求投影有两种方法
(1)b 在 a 方向上的投影为|b|cosθ(θ为 a,b 的夹角),a 在 b 方向上的投影为|a|cosθ.
(2)b 在 a 方向上的投影为
a·b
|a|
,a 在 b 方向上的投影为
a·b
|b|
.
4.两非零向量 a,b,a⊥b⇔a·b=0,求向量模时要灵活运用公式|a|= a2
.
一、选择题
1.(2017·辽宁大连二十中高一月考)设非零向量 a,b,c 满足|a|=|b|=|c|,a+b=c,
则 a与 b 的夹角θ为( )
A.150°B.120°C.60°D.30°
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的夹角
答案 B
9
解析 由|a|=|b|=|c|且a+b=c,得|a+b|=|b|,平方得|a|2+|b|2+2a·b=|b|2⇒2a·b
=-|a|2
⇒2|a|·|b|·cosθ=-|a|2
⇒cosθ=-
1
2
⇒θ=120°.
2.已知|a|=3,|b|=4,且 a与 b 的夹角θ=150°,则 a·b 等于( )
A.-6B.6C.-6 3D.6 3
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 C
3.已知 a,b 方向相同,且|a|=2,|b|=4,则|2a+3b|等于( )
A.16B.256C.8D.64
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的模
答案 A
解析 ∵|2a+3b|2
=4a2
+9b2
+12a·b=16+144+96=256,∴|2a+3b|=16.
4.已知|a|=6,|b|=3,a·b=-12,则向量 a 在向量 b 方向上的投影是( )
A.-4B.4C.-2D.2
考点 平面向量的投影
题点 求向量的投影
答案 A
解析 根据投影的定义,设 a,b 的夹角为θ,可得向量 a 在 b方向上的投影是|a|cosθ=
a·b
|b|
=-4,故选 A.
5.已知平面上三点 A,B,C,满足|AB
→
|=3,|BC
→
|=4,|CA
→
|=5,则AB
→
·BC
→
+BC
→
·CA
→
+CA
→
·AB
→
的值等于( )
A.-7B.7C.25D.-25
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 D
解析 由条件知∠ABC=90°,
所以原式=0+4×5cos(180°-C)+5×3cos(180°-A)
=-20cosC-15cosA
=-20×
4
5
-15×
3
5
=-16-9=-25.
6.设向量 a,b 满足|a+b|= 10,|a-b|= 6,则 a·b 等于( )
10
A.1B.2C.3D.5
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 A
解析 ∵|a+b|2=(a+b)2=a2+2a·b+b2=10,①
|a-b|2=(a-b)2=a2-2a·b+b2=6,②
由①-②得 4a·b=4,∴a·b=1.
7.在△ABC 中,AB=6,O 为△ABC 的外心,则AO
→
·AB
→
等于( )
A. 6B.6C.12D.18
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 D
解析 如图,过点 O 作 OD⊥AB 于 D,
可知 AD=
1
2
AB=3,
则AO
→
·AB
→
=(AD
→
+DO
→
)·AB
→
=AD
→
·AB
→
+DO
→
·AB
→
=3×6+0=18,故选 D.
二、填空题
8.(2017·全国Ⅰ)已知向量 a,b 的夹角为 60°,|a|=2,|b|=1,则|a+2b|=________.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的模
答案 2 3
解析 方法一
|a+2b|= a+2b 2
= a2+4a·b+4b2
= 2
2
+4×2×1×cos60°+4×1
2
= 12=2 3.
方法二(数形结合法)
由|a|=|2b|=2 知,以 a 与 2b 为邻边可作出边长为 2 的菱形 OACB,如图,则|a+2b|=|OC
→
|.
又∠AOB=60°,所以|a+2b|=2 3.
11
9.设 e1,e2是两个单位向量,它们的夹角为 60°,则(2e1-e2)·(-3e1+2e2)=________.
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
答案 -
9
2
10.(2017·四川绵阳南山中学高一月考)已知在△ABC 中,AB=AC=4,AB
→
·AC
→
=8,则△ABC
的形状是________.
考点 平面向量数量积的应用
题点 数量积在三角形中的应用
答案 等边三角形
解析 AB
→
·AC
→
=|AB
→
||AC
→
|cos∠BAC,
即 8=4×4cos∠BAC,于是 cos∠BAC=
1
2
,
因为 0°<∠BAC<180°,所以∠BAC=60°.
又 AB=AC,故△ABC 是等边三角形.
11.在平行四边形 ABCD 中,AD=1,∠BAD=60°,E 为 CD 的中点,若AC
→
·BE
→
=1,则 AB 的
长为________.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的模
答案
1
2
解析 如图,由题意可知,AC
→
=AB
→
+AD
→
,BE
→
=-
1
2
AB
→
+AD
→
.
因为AC
→
·BE
→
=1,
所以(AB
→
+AD
→
)·
-
1
2
AB
→
+AD
→
=1,
即 AD
→2
+
1
2
AB
→
·AD
→
-
1
2
AB
→
2=1.①
12
因为|AD
→
|=1,∠BAD=60°,
所以①式可化为 1+
1
4
|AB
→
|-
1
2
|AB
→
|
2
=1.
解得|AB
→
|=0(舍去)或|AB
→
|=
1
2
,
所以 AB 的长为
1
2
.
12.已知|a|=4,|b|=3,(2a-3b)·(2a+b)=61.则向量 a 在向量 a+b 方向上的投影为
________.
考点 平面向量数量积的应用
题点 利用数量积求向量的模
答案
10 13
13
解析 (2a-3b)·(2a+b)=4a2
-3b2
-4a·b=4×16-3×9-4a·b=61,解得 a·b=-6,
∴|a+b|2=a2+b2+2a·b=16+9-12=13,∴|a+b|= 13,设 a 与 a+b的夹角为θ,a·(a
+b)=a2
+a·b=10,
∴cosθ=
10
4× 13
=
5
2 13
,则 a 在 a+b 方向上的投影为|a|cosθ=4×
5
2 13
=
10 13
13
.
三、解答题
13.如图,在▱ ABCD 中,AB
→
=a,AD
→
=b,CE
→
=
1
3
CB
→
,CF
→
=
2
3
CD
→
.
(1)用 a,b 表示EF
→
;
(2)若|a|=1,|b|=4,∠DAB=60°,分别求|EF
→
|和AC
→
·FE
→
的值.
考点 平面向量数量积的概念与几何意义
题点 平面向量数量积的概念与几何意义
解 (1)EF
→
=CF
→
-CE
→
=
2
3
CD
→
-
1
3
CB
→
=-
2
3
AB
→
+
1
3
AD
→
=-
2
3
a+
1
3
b.
(2)因为|a|=1,|b|=4,∠DAB=60°,
所以|EF
→
|2=
1
3
b-
2
3
a
2
13
=
1
9
|b|2
-
4
9
a·b+
4
9
|a|2
=
16
9
-
4
9
×1×4×cos60°+
4
9
=
4
3
.
所以|EF
→
|=
2 3
3
.
AC
→
·FE
→
=(a+b)·
2
3
a-
1
3
b
=
2
3
|a|2+
1
3
a·b-
1
3
|b|2
=
2
3
+
1
3
×1×4×cos60°-
16
3
=-4.
四、探究与拓展
14.已知向量 a,b 满足|a|=1,a 与 b 的夹角为
π
3
,若对一切实数 x,|xa+2b|≥|a+b|恒
成立,则|b|的取值范围为( )
A.[2,+∞) B.[-1,1]
C.[1,+∞) D.(-∞,1)
考点 平面向量数量积的运算性质和法则
题点 求向量的数量积的最值
答案 C
解析 对不等式|xa+2b|≥|a+b|两边平方得,(xa+2b)2
≥(a+b)2
,所以 x2
·|a|2
+4a·bx
+4|b|2≥|a|2+2a·b+|b|2,又 a 与 b 的夹角为
π
3
,且|a|=1,则有 a·b=|a|·|b|·cos
π
3
=
1
2
|b|,所以有 x2+4x·
1
2
|b|+4|b|2≥1+|b|+|b|2,即 x2+2|b|x+3|b|2-1-|b|≥0,此
式对一切实数 x 恒成立,所以有Δ=4|b|2
-4(3|b|2
-1-|b|)≤0,即有 2|b|2
-|b|-1≥0,
所以(2|b|+1)(|b|-1)≥0,所以
2|b|+1≥0,
|b|-1≥0
或
2|b|+1≤0,
|b|-1≤0,
所以|b|≥1 或|b|≤
-
1
2
(舍去),故选 C.
15.已知 a,b 是单位向量,a·b=0,若向量 c 满足|c-b-a|=1,则|c|的取值范围为( )
A.[ 2-1, 2+1] B.[ 2-1, 2+2]
C.[1, 2+1] D.[1, 2+2]
考点 平面向量数量积的运算性质和最值
题点 求向量的数量积的最值
14
答案 A
解析 如图所示,
令OA
→
=a,OB
→
=b,OD
→
=a+b,OC
→
=c,则|OD
→
|= 2.
又|c-b-a|=1,所以点 C 在以点 D为圆心、半径为 1 的圆上,易知当点 C 与 O,D共线时,
|OC
→
|取到最值,最大值为 2+1,最小值为 2-1,所以|c|的取值范围为[ 2-1, 2+1].故
选 A.
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