• 185.11 KB
  • 2021-06-15 发布

高中数学 必修4平面向量2.4 平面向量的数量积

  • 14页
  • 当前文档由用户上传发布,收益归属用户
  1. 1、本文档由用户上传,淘文库整理发布,可阅读全部内容。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,请立即联系网站客服。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细阅读内容确认后进行付费下载。
  4. 网站客服QQ:403074932
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.