定比分点公式的向量形式及应用
众所周知,向量法是解决平面几何问题的重要方法之一,而定比分点公式是解析几何中应用非常广泛的重要公式之一;本文介绍定比分点公式的向量形式及其在解决平面几何问题中的应用;供大家参考.
1 定理及其推论
定理 设点P 分21P P 的比为λ(即21PP P P λ=,1-≠λ),Q 为平面上的任意一点,则21
111QP λ
λ
λ+++=
.(定比分点公式的向量形式) 证明: ∵21PP P λ=,∴)(21QP -=-λ
即21)1(QP λλ+=+,即21
111QP λ
λ
λ+++=
. 推论1设点P 为OAB ?的边AB 上的点,且
,,n PB m AP ==则OB n
m m
OA n m n OP +++=
. 推论2设点P 为OAB ?的边AB 的中点,则)(2
1
OB OA OP +=.
推论3 O A B ?中,点P 在直线AB 上的充要条件是:存在实数t ,使
OB t OA t OP )1(-+=成立
证明:(充分性)∵t t )1(-+=,
∴)(t -=-,即BA t BP =, 故P B A ,,三点共线,即点P 在直线AB 上.
(必要性)(1)当点P 不与B 重合时,可设P 分的比为λ,则由定理可知
λλλ+++=
111,取λ
+=
11
t 得t t )1(-+=.
(2) 当点P 与B 重合时,可取0=t ,显然有OB t OA t OP )1(-+=成立. 推论4在直角坐标平面中,设()111,y x P ,()222,y x P ,()y x P ,,且点P 分21P P 的比为λ(其中1-≠λ),则λλ++=
121x x x ,λ
λ++=12
1y y y (定比分点公式) 证明:取Q 为原点()0,0O ,由定理可得()()),(1,11
,2211y x y x y x λ
λλ+++=
, 即λλ++=121x x x ,λ
λ++=12
1y y y
2 应用举例
(1)证明比例线段关系
例1 如图,在ABC ?中,E D ,是BC 边的三等分点,D 在B 和E 这之间,
F 是AC 的中点,
G 是AB 的中点,设
H 是线段DF 与EG 的交点,求比值HG EH :.
分析:要求比值HG EH :的大小,只须得到向量EH 与向量EG 之间的线性关系,由平面向量基本定理可知,可选择一组合适的基底, 则向量、向量都可用这组基底的线性组合表示之,一旦表示成功,则结论也唾手可得了.
证明:设a CB =, b CA =,连结CG 、CH ,由于EC BE 2=, 由推论1可知:=+=
3132)(3
132-+ CG CB -=31)(2131CA CB CB +-==b a 2
161-- 即2
1
61+=;∵D 、H 、F 三点共线,∴t t )1(-+=
))(1(CE CF t ED t --+===
--+)3121)(1(3a b t a t b t
a t 2
1312-+-, ∵与EH 是共线向量,∴0312212161=-?--?t t ,即5
3
=t ,
E
故5
2
)2161(52=+=
,∴3:2:=HG EH . 评注:①由于本题的相关点均“生长”在ABC ?的三边上,所以选择以向
量=, =作为基底比较合理.
②在向量运算过程中,通过合理的运用上述定理的推论,可简化运算过程,甚至可直奔结论.
例2(第23届IMO 试题)已知AC ,CE 是正六边形ABCDEF 的两条对角线,点M ,N 分别内分CE AC ,,使得r CE CN AC AM ==::,如果N M B ,,三点共线,求r 的值.
分析: ①要求出r 的值,只须得到关于r 的一个方程,故解决问题的关键是如何结合其它已知条件,把条件“N M B ,,三点共线”翻译成关于r 的一个方程.
②由于B 、M 、N 三点所在直线过顶点B ,因此选择向量BA 、BC 作为基底比较合理,再把向量BM 、用基底表示之,则不难得到关于r 的方程.
解:∵r CE CN AC AM ==::
∴()r r NE CN MC AM -==1::: 由推论1可知()r r -+=1
()BC r BE r BN -+=1,∵ABCDEF 是正六边形, ∴)(2+=
∴()=-++=BC r BC BA r BN 1)(2BA r BC r 2)1(++ ∵N M B ,,共线,∴()()0112=+--?r r r r ,故3
3
=
r . 评注:由于本题的“情景”与推论1的使用条件非常吻合,因此上述解法
B
通过推论1的应用使运算过程显得非常简捷,极大地缩短了解题的长度. (2)证明三角形的面积关系
例3如图所示,已知ABC ?的面积为214cm ,D 、E 分别是边AB 、BC 上的点,且1:2::==EC BE DB AD ,求PAC ?的面积.
分析:由于已知ABC ?的面积,因此要计算PAC ?的面积,只须求这两个三角形的面积比,注意到ABC ?与PAC ?是同底三角形,设直线BP 与AC 交于点Q ,则只须求出点P 分BQ 的比,若选择以向量=、=为基底,再把向量BQ 、BP 用基底表示之,则就大功告成了.
解:连结BP 并延长交AC 于Q ,设=,=, ∵C 、P 、D 三点共线,∴t t )1(-+=, 又∵3131==
,∴t t
)1(3
-+=, ∵A 、P 、E 三点共线,∴)1(λλ-+=,
即()312λλ-+
=,由平面向量基本定理可知λ=3t 且()3
121λ-=
-t , 解得7
1
=λ,∴c a BP 7471+=,设BP BQ μ=c a 747μμ+=,
∵A 、Q 、C 三点共线,∴,1747=+μμ即5
7
=μ,
∴,75BQ BP =,72BQ PQ =47
2
==??BAC PAC S S 2cm .
评注:在用向量方法解决平面几何问题时,除注意基底的合理选择外,还需注意方程思想的应用,虽然上述解法操作过程有一定的技巧性,但若在操作过程中始终以方程思想为指导,则思路还是显得比较自然.
(3)证明三点共线问题
例4(2004年斯洛文尼亚数学奥林匹克试题)设O 、P 是平面上的两个不同的点,四边形ABCD 是平行四边形,两条对角线相交于点O ,点P 不在直线AB 关于直线CD 对称的图形上,M 、N 分别是线段PA 、PB 的中点,Q
是直线MC 与直线ND 的交点;证明:P 、Q 、O 三点共线,且点Q 的位置与平行四边形ABCD 的选择无关.
分析:要证明P 、Q 、O 三点共线,只须证明λ=
,注意到O 是AC 的中点,即有)(2
1
PC PA PO +=
成立,故可选择向量PC PA ,为基底,再设法把向量也用基底表示之即可.
证明:∵M 、N 分别是线段PA 、PB 的中点 ∴AB MN 21
//,∵ABCD 是平行四边形,∴CD AB //
即CD MN 2
1
//,∴MQ QC 2=,
由推论1可知3132+=3
1
31+=
又∵O 是线段AC 的中点, 由推论2可知)(2
1
+=
∴32=,即,共线,且PO PQ 3
2
=,
即P 、Q 、O 三点共线,且点Q 的位置与平行四边形ABCD 的选择无关.
评注:证明三点共线是平面几何中的难点之一,利用平面向量方法证明之
思路自然且易于操作.
(4)证明平面几何中的定值问题 例6 已知 G 是ABC ?的重心,过点G 任作一条直线l ,分别交边AB 、AC 于点D 、E ,若x =,AC y AE =
求证:
y
x 1
1+为定值. 分析: 当点D 与点B 重合,即1=x 时,E 且为AC 之中点,即2
1
=
y ,此时311=+y x ,因此只须证明31
1=+y
x 即可.所以只须得到关于y x ,应满足的方程即可,注意到D 、G 、E 三点共线及G
是ABC ?的重心,因此可选择以向量AC AB ,为基底,由向量的两种不同的表示方法中得到此方程.
证明:∵D 、G 、E 三点共线
∴AE AD AG )1(λλ-+=AC y AB x )1(λλ-+=,
又∵G 是ABC ?的重心,AC AB AF AG 31
3132+==
, 由平面向量基本定理可知31=x λ且()3
1
1=-y λ,
∴()31331
1=-+=+λλy
x (定值). 通过以上各例的解法不难发现,用定比分点公式的向量形式及其推论解决平面几何问题的解题程序如下:(1)把平面几何问题转化为平面向量问题;(2)合理选择一组基底;(3)把问题涉及的向量用基底表示之;(4)得到需要的结论并回归到平面几何问题.
三角形的定比分点公式及应用 河南驻马店 郭新华 本文从有向面积的定义推导出三角形的定比分点公式及其推论,并揭示该公式和梅涅劳斯定理,塞瓦定理,凡·奥贝尔公式以及调和点列公式的内在关系,同时举例说明其应用。 1. 预备知识 定义 三角形的有向面积是指通常所知的面积大小加上正负号。当三个顶点逆时针排列时有向面积为正,反之为负,三点共线时为零。 为简化叙述,约定AB 表示有向线段AB 的数量,ABC ?表示△ABC 的有向面积。 由定义,△ABC 的有向面积表达式有下列关系: ABC ?=BCA ?=CAB ?=BAC ?-=ACB ?-=CBA ?-. 对于△ABC 所在平面上任意点P ,AP 的连线交边BC 所在直线于D ,如图1-1,图1-2所示,有 PCA PBC PAB ABC ?+?+?=? . 及 AD PD ABC PBC =?? 2. 三角形的定比分点公式
设点P 在△ABC 所在平面上,直线AP ,BP ,CP 分别交边BC ,CA ,AB 所在直线于D ,E ,F ,如图2-1,图2-2所示,则 111 11113 21=+++++λλλ (1) 其中PD AP =1λ,PE BP =2λ,PF CP =3λ. 证明:因为 AD PD ABC PBC =??PD AP PD +=1 11 λ+= 类似地 BCA PCA ??211λ+=,CAB PAB ??3 11 λ+=. 所以321111111λλλ+++++=ABC PBC ??+BCA PCA ??+CAB PAB ??=1 变形1 21113 32211=+++++λλλλ λλ (2) 变形2 3213212λλλλλλ=+++ (3) 式(1)展开既得式(3) 3 三角形的定比分点公式的推论 如图2-1所示,当点P 在△ABC 内时,321λλλ,,均为正数, 记 321λλλ++=U , 313221λλλλλλ++=V , 321λλλ=W .
平面向量 【基本概念与公式】 【任何时候写向量时都要带箭头】 1.向量:既有大小又有方向的量。记作:AB 或a 。 2.向量的模:向量的大小(或长度),记作:||AB 或||a 。 3.单位向量:长度为1的向量。若e 是单位向量,则||1e =。 4.零向量:长度为0的向量。记作:0。【0方向是任意的,且与任意向量平行】 5.平行向量(共线向量):方向相同或相反的向量。 6.相等向量:长度和方向都相同的向量。 7.相反向量:长度相等,方向相反的向量。AB BA =-。 8.三角形法则: AB BC AC +=;AB BC CD DE AE +++=;AB AC CB -=(指向被减数) 9.平行四边形法则: 以,a b 为临边的平行四边形的两条对角线分别为a b +,a b -。 10.共线定理://a b a b λ=?。当0λ>时,a b 与同向;当0λ<时,a b 与反向。 11.基底:任意不共线的两个向量称为一组基底。 12.向量的模:若(,)a x y =,则2||a x y =+,22||a a =,2||()a b a b +=+ 13.数量积与夹角公式:||||cos a b a b θ?=?; cos ||||a b a b θ?= ? 14.平行与垂直:1221//a b a b x y x y λ?=?=;121200a b a b x x y y ⊥??=?+= 题型1.基本概念判断正误: (1)共线向量就是在同一条直线上的向量。 (2)若两个向量不相等,则它们的终点不可能是同一点。 (3)与已知向量共线的单位向量是唯一的。 (4)四边形ABCD 是平行四边形的条件是AB CD =。 (5)若AB CD =,则A 、B 、C 、D 四点构成平行四边形。 (6)若a 与b 共线, b 与c 共线,则a 与c 共线。 (7)若ma mb =,则a b =。
5.3平面向量的坐标表示及线段的定比分点公式 要点透视: 1.要清楚向量的坐标与表示该向量的有向线段的起点、终点的具体位置无关,只与其相对位置有关. 2.遇到共线向量与平行有关问题,一般应考虑运用向量平行的充要条件. 3.线段的定比分点公式,要注意求定比分点A 的值,以便顺利求出分点坐标. 活题解析: 例1.(2002年天津卷)平面直角坐标系中, O 是坐标原点,已知两点A (3, 1),B (-1,3),若点C 满足OC OA OB αβ=+ ,其中α,β∈R ,且α+β=1,则点C 的轨迹方程是( ) A .3x +2y -11=0 B .(x -1)2+(y -2)2=25 C .2x -y =0 D .x +2 y -5=0 要点精析:I 设OC =(x ,y ),OA =(3,1),OB =(-1,3), α· OA =(3α,α),βOB =(-β,3β),又αOA +βOB =(3α-β,α+3β), ∴ (x ,y )=(3α-β,α+3β),∴ 33x y αβαβ=-??=+? , 又α+β=1,因此得x +2y =5,所以选D . 思维延伸:本题主要考查向量法和坐标法的相互关系及转换方法. 例2.(2003年江苏卷)已知常数a >0,向量c =(0,a ),i =(1,0),经过原点O 以c +λi 为方向向量的直线与经过定点A (0,a )以i -2λc 为方向向量的直线相交于点P ,其中λ∈R ,试问是否存在两个定点E ,F ,使得|PE |+|PF |为定值?若存在,求出E ,F 的坐标;若不存在,说明理由. 要点精析:本题考查平面向量的概念和计算、求轨迹的方法、椭圆的方程和性质、利用方程判定曲线的性质、曲线与方程的关系等解析几何的基本思想和综合解题能力. 解:根据题没条件,首先求出点P 满足的方程,据此再判断是否存在两定点,使得P 到两定点的距离之和为定值. 因为i =(1,0),c =(0,a ), 所以c +λi =(λ,a ),i -2λc =(1,-2λa ). 因此直线OP 和AP 的方程分别为λy =ax 和y -a =-2λax , 消去参数λ,得点P (x ,y )的坐标满足y (y -a )=-2a 2x 2, 整理得222 ()211()82 a y x a -+= ① 因为a >0,所以得 (1)当a =2 2时,方程①表示圆,故不存在合乎题意的定点E 和F ; (2)当0 高中数学必修4知识点总结 第二章 平面向量 16、向量:既有大小,又有方向的量. 数量:只有大小,没有方向的量. 有向线段的三要素:起点、方向、长度. 零向量:长度为0的向量. 单位向量:长度等于1个单位的向量. 平行向量(共线向量):方向相同或相反的非零向量.零向量与任一向量平行. 相等向量:长度相等且方向相同的向量. 17、向量加法运算: ⑴三角形法则的特点:首尾相连. ⑵平行四边形法则的特点:共起点. ⑶三角形不等式:a b a b a b -≤+≤+ . ⑷运算性质:①交换律:a b b a +=+ ; ②结合律:()() a b c a b c ++=++ ;③00a a a +=+= . ⑸坐标运算:设()11,a x y = ,()22,b x y = ,则()1212,a b x x y y +=++ . 18、向量减法运算: ⑴三角形法则的特点:共起点,连终点,方向指向被减向量. ⑵坐标运算:设()11,a x y = ,()22,b x y = ,则()1212,a b x x y y -=-- . 设A 、B 两点的坐标分别为()11,x y ,()22,x y ,则()1 212 ,x x y y A B=-- . 19、向量数乘运算: ⑴实数λ与向量a 的积是一个向量的运算叫做向量的数乘,记作a λ . ①a a λλ= ; ②当0λ>时,a λ 的方向与a 的方向相同;当0λ<时,a λ 的方向与a 的方向相反;当0λ=时,0a λ= . ⑵运算律:①()()a a λμλμ= ;②()a a a λμλμ+=+ ;③() a b a b λλλ+=+ . ⑶坐标运算:设(),a x y = ,则()(),,a x y x y λλλλ== . 20、向量共线定理:向量() 0a a ≠ 与b 共线,当且仅当有唯一一个实数λ,使b a λ= . 设()11,a x y = ,()22,b x y = ,其中0b ≠ ,则当且仅当12210x y x y -=时,向量a 、() 0b b ≠ 共线. 21、平面向量基本定理:如果1e 、2e 是同一平面内的两个不共线向量,那么对于这一平面内的任意向量a ,有且只有一对实数1λ、2λ,使1122a e e λλ=+ .(不共线的向量1e 、2e 作为这一平面内所有向量的一组基 b a C B A a b C C -=A -AB =B 8.1(3)定比、定比分点公式 一、教学内容分析 本节是8.1的第三节课,是学习向量坐标表示及运算、向量的模与平行之后的又一个新的知识点.它既是对前两节内容复习与巩固,又是对向量知识的进一步深化与拓展,如式子 12PP PP λ=u u u r u u u r 中的λ由实 数推广到定比.同时,经历定比分点公式的推导过程,让学生领悟定比分点的多元化表示方法. 本节的教学重点是定比分点公式的形成、深化、拓展与应用.难点是定比λ的理解、确定及定比分点公式中分点、始点、终点坐标位置的识别. 根据本节特点,教师采取启发、提问为主的教学方法;学生则进行自主学习.即课前进行主动预习,课中进行讨论与交流,课后进行探索研究. 二、教学目标设计 1理解定比的概念,掌握定比分点公式; 2通过定比分点公式的推导过程,巩固向量的运算方法; 感悟定比分点的几种表达方式; 3通过本节的学习,提升发现能力、推理能力,渗透数形结合 思想. 三、教学重点及难点 定比的概念,定比分点公式的推导和应用. 四、教学流程设计 五、教学过程设计 一、 情景引入 观察思考,引入新课 问题1:设)1,2(A ,)1,2(--B ,)2,4(C 三点共线,可知BA u u u r ∥AC u u u r ,即存 在实数λ,使BA u u u r = λAC u u u r ,那么实数λ= . 而若 BC CA λ=u u u r u u u r ,则λ= . [说明](1)本问题由共线三点坐标求实数λ,它既是对前一节向量平行的复习与巩固,同时又为定比λ的产生作好铺垫(2)通过本题可以看出使两向量平行的实数λ的取值可正可负. 问题2:设1P (1,1),2P (4,4), λ=1.当12PP PP λ=u u u r u u u r 时, 你能求出点P 的坐标吗?(引出课题) [说明]问题2是由共线三点中的两点坐标和定比λ的值求第三点坐 5. 3平面向量的坐标表示及线段的定比分点公式要点透视: 1?要清楚向量的坐标与表示该向量的有向线段的起点、终点的具体位置无关,只与其相对位置有关. 2?遇到共线向量与平行有关问题,一般应考虑运用向量平行的充要条件. 3?线段的定比分点公式,要注意求定比分点A的值,以便顺利求出分点坐 标. 活题解析: 例1. (2002年天津卷)平面直角坐标系中, O是坐标原点,已知两点A(3, 1),B( — 1, 3),若点 C 满足 OC =aOA+POB,其中 a 氏 R 且 a+3=1,则点 C的 轨迹方程是() 2 2 A. 3x+ 2y— 11 = 0 B. (x— 1) + (y—2)=25 C. 2x— y= 0 T D士+ 2 y— 5=0^ 要点精析:I 设OC =(x, y),OA = (3, 1),OB =(— 1,3), T T T T a OA=(3 a a, 3OB =( — 3, 3 3,又 aOA+ 3OB =(3 a— 3, a+3 3, I X =3*^ — P 二(x, y)= (3a— 3 a+ 33,;$ n , [y =a +3卩 又a+ 3= 1,因此得x+ 2y= 5,所以选D . 思维延伸:本题主要考查向量法和坐标法的相互关系及转换方法. I I 例2. (2003年江苏卷)已知常数a>0,向量c=(0, a),i = (1, 0),经过原点 O以 c+Xi为方向向量的直线与经过定点 A(0, a)以i — 2Xc为方向向量的直线相交于 点P,其中疋R,试问是否存在两个定点E, F,使得|PE| + |PF|为定值?若存在, 求出E, F的坐标;若不存在,说明理由. 要点精析:本题考查平面向量的概念和计算、求轨迹的方法、椭圆的方程和性质、利用方程判定曲线的性质、曲线与方程的关系等解析几何的基本思想和综合解题能力. 解:根据题没条件,首先求出点P满足的方程,据此再判断是否存在两定点,使得P到两定点的距离之和为定值. 因为1=(° 0), c = (0, a), 所以 c + xi =( X, a), i — 2 入c = (1, — 2 Xa). 因此直线OP和AP的方程分别为?y=ax和y— a= — 2 Xx,高中数学必修4知识点总结:第二章 平面向量
定比、定比分点公式
3平面向量的坐标表示及线段的定比分点公式
高中数学平面向量公式(精选课件)