§5.3 平面向量的数量积考情考向分析 主要考查利用数量积的定义解决数量积的运算、求模与夹角等问题,考查利用数量积的坐标表示求两个向量的夹角、模以及判断两个平面向量的平行与垂直关系.一般以填空题的形式考查,偶尔会在解答题中出现,属于中档题.1.向量的夹角已知两个非零向量a 和b ,作OA →=a ,OB →=b ,则∠AOB 就是向量a 与b 的夹角,向量夹角的范围是[0,π]. 2.平面向量的数量积定义:设两个非零向量a ,b 的夹角为θ,则数量|a ||b |·cos θ叫做a 与b 的数量积,记作a ·b .3.平面向量数量积的性质设a ,b 都是非零向量,e 是单位向量,θ为a 与b (或e )的夹角.则 (1)e ·a =a ·e =|a |cos θ. (2)a ⊥b ⇔a ·b =0.(3)当a 与b 同向时,a ·b =|a ||b |; 当a 与b 反向时,a ·b =-|a ||b |. 特别地,a ·a =|a |2或|a |=a ·a .(4)cos θ=a ·b|a ||b |.(5)|a ·b |≤|a ||b |.4.平面向量数量积满足的运算律 (1)a ·b =b ·a ;(2)(λa )·b =λ(a ·b )=a ·(λb )(λ为实数); (3)(a +b )·c =a ·c +b ·c .5.平面向量数量积有关性质的坐标表示设向量a =(x 1,y 1),b =(x 2,y 2),则a ·b =x 1x 2+y 1y 2,由此得到 (1)若a =(x ,y ),则|a |2=x 2+y 2或|a |=x 2+y 2.(2)设A (x 1,y 1),B (x 2,y 2),则A ,B 两点间的距离AB =|AB →|=(x 2-x 1)2+(y 2-y 1)2. (3)设两个非零向量a ,b ,a =(x 1,y 1),b =(x 2,y 2),则a ⊥b ⇔x 1x 2+y 1y 2=0.(4)若a ,b 都是非零向量,θ是a 与b 的夹角,则cos θ=a ·b |a ||b |=x 1x 2+y 1y 2x 21+y 21 x 22+y 22. 知识拓展1.两个向量a ,b 的夹角为锐角⇔a ·b >0且a ,b 不共线; 两个向量a ,b 的夹角为钝角⇔a ·b <0且a ,b 不共线.2.平面向量数量积运算的常用公式 (1)(a +b )·(a -b )=a 2-b 2. (2)(a +b )2=a 2+2a ·b +b 2. (3)(a -b )2=a 2-2a ·b +b 2.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)两个向量的数量积是一个实数,向量的加、减、数乘运算的运算结果是向量.( √ ) (2)由a ·b =0可得a =0或b =0.( × ) (3)(a ·b )c =a (b ·c ).( × )(4)两个向量的夹角的范围是⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2.( × )(5)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.( × ) 题组二 教材改编2.[P90习题T18]已知向量a =(2,1),b =(-1,k ),a ·(2a -b )=0,则k =________. 答案 12解析 ∵2a -b =(4,2)-(-1,k )=(5,2-k ), 由a ·(2a -b )=0,得(2,1)·(5,2-k )=0, ∴10+2-k =0,解得k =12.3.[P90练习T19]设a =(1,2),b =(1,1),c =a +k b .若b ⊥c ,则实数k 的值为________. 答案 -32解析 由已知得c =(1,2)+k (1,1)=(k +1,k +2), 因为b ⊥c ,所以b ·c =0, 因此k +1+k +2=0,解得k =-32.题组三 易错自纠4.设向量a =(-1,2),b =(m,1),如果向量a +2b 与2a -b 平行,那么a 与b 的数量积是________. 答案 52解析 a +2b =(-1+2m,4),2a -b =(-2-m,3), 由题意得3(-1+2m )-4(-2-m )=0,则m =-12,所以a ·b =-1×⎝ ⎛⎭⎪⎫-12+2×1=52. 5.已知|a |=3,|b |=2,若a ·b =-3,则a 与b 的夹角的大小为________. 答案2π3解析 设a 与b 的夹角为θ,则cos θ=a ·b |a ||b |=-33×2=-12.又0≤θ≤π,所以θ=2π3.6.已知△ABC 的三边长均为1,且AB →=c ,BC →=a ,CA →=b ,则a ·b +b ·c +a ·c =________. 答案 -32解析 ∵〈a ,b 〉=〈b ,c 〉=〈a ,c 〉=120°,|a |=|b |=|c |=1, ∴a ·b =b ·c =a ·c =1×1×cos 120°=-12,∴a ·b +b ·c +a ·c =-32.题型一 平面向量数量积的运算1.设四边形ABCD 为平行四边形,|AB →|=6,|AD →|=4,若点M ,N 满足BM →=3MC →,DN →=2NC →,则AM →·NM →=________. 答案 9解析 AM →=AB →+34AD →,NM →=CM →-CN →=-14AD →+13AB →,∴AM →·NM →=14(4AB →+3AD →)·112(4AB →-3AD →)=148(16AB →2-9AD →2)=148(16×62-9×42)=9. 2.在△ABC 中,AB =4,BC =6,∠ABC =π2,D 是AC 的中点,E 在BC 上,且AE ⊥BD ,则AE →·BC→=________. 答案 16解析 以B 为原点,BA ,BC 所在直线分别为x ,y 轴建立平面直角坐标系(图略),A (4,0),B (0,0),C (0,6),D (2,3),设E (0,t ),BD →·AE →=(2,3)·(-4,t )=-8+3t =0,t =83,即E ⎝ ⎛⎭⎪⎫0,83,AE →·BC →=⎝⎛⎭⎪⎫-4,83·(0,6)=16.思维升华 平面向量数量积的三种运算方法(1)当已知向量的模和夹角时,可利用定义法求解,即a ·b =|a ||b |cos 〈a ,b 〉. (2)当已知向量的坐标时,可利用坐标法求解,即若a =(x 1,y 1),b =(x 2,y 2),则a ·b =x 1x 2+y 1y 2.(3)利用数量积的几何意义求解.题型二 平面向量数量积的应用命题点1 求向量的模典例 (1)已知向量a ,b 的夹角为60°,|a |=2,|a -2b |=2,则|b |=________. 答案 1解析 由|a -2b |=2,得(a -2b )2=|a |2-4a ·b +4|b |2=4, 即|a |2-4|a||b |cos 60°+4|b |2=4, 则|b |2-|b |=0,解得|b |=0(舍去)或|b |=1.(2)(2017·江苏沛县中学质检)已知AD 是△ABC 的中线,若∠A =120°,AB →·AC →=-2,则|AD →|的最小值是________. 答案 1解析 ∵AB →·AC →=-2=|AB →||AC →|cos A ,∠A =120°,∴|AB →||AC →|=4, ∵|AD →|=12(AB →+AC →),∴|AD →|2=14(|AB →|2+|AC →|2+2AB →·AC →)=14(|AB →|2+|AC →|2-4)≥14(2|AB →||AC →|-4)=1, 当且仅当AB =AC =2时取等号,∴|AD →|min =1. 命题点2 求向量的夹角典例 (1)已知向量a ,b 满足(2a -b )·(a +b )=6,且|a |=2,|b |=1,则a 与b 的夹角为______. 答案2π3解析 ∵(2a -b )·(a +b )=6,∴2a 2+a ·b -b 2=6, 又|a |=2,|b |=1,∴a ·b =-1, ∴cos 〈a ,b 〉=a ·b |a||b |=-12,又〈a ,b 〉∈[0,π],∴a 与b 的夹角为2π3.(2)已知单位向量e 1与e 2的夹角为π3,向量e 1+2e 2与2e 1+λe 2的夹角为2π3,则λ=________.答案 -3 解析 依题意可得|e 1+2e 2|=(e 1)2+4e 1·e 2+(2e 2)2=7, 同理,|2e 1+λe 2|=4+2λ+λ2, 而(e 1+2e 2)·(2e 1+λe 2)=4+52λ,又向量e 1+2e 2与2e 1+λe 2的夹角为2π3,可知(e 1+2e 2)·(2e 1+λe 2)|e 1+2e 2||2e 1+λe 2|=4+52λ7×4+2λ+λ2=-12, 由此解得λ=-23或-3,又4+52λ<0,∴λ=-3.思维升华 (1)求解平面向量模的方法①把几何图形放到适当的坐标系中,写出有关向量的坐标,求向量的长度.如若向量a =(x ,y ),求向量a 的模只需利用公式|a |=x 2+y 2即可.②当向量坐标无法表示时,利用向量的线性运算和向量的数量积公式进行求解,关键是会把向量a 的模进行如下转化:|a |=a 2. (2)求平面向量的夹角的方法①定义法:利用向量数量积的定义知,cos θ=a ·b|a||b |,其中两个向量的夹角θ的取值范围为[0,π],求解时应求出三个量:a ·b ,|a |,|b |或者找出这三个量之间的关系. ②坐标法:若a =(x 1,y 1),b =(x 2,y 2),则cos θ=x 1x 2+y 1y 2x 21+y 21·x 22+y 22. ③解三角形法:可以把所求两向量的夹角放到三角形中,利用正、余弦定理和三角形的面积公式等进行求解.跟踪训练 (1)(2017·全国Ⅰ)已知向量a ,b 的夹角为60°,|a |=2,|b |=1,则|a +2b |=________. 答案 2 3解析 方法一 |a +2b |=(a +2b )2=a 2+4a ·b +4b 2=22+4×2×1×cos 60°+4×12=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.(2)(2017·山东)已知e 1,e 2是互相垂直的单位向量,若3e 1-e 2与e 1+λe 2的夹角为60°,则实数λ的值是________. 答案33解析 由题意知|e 1|=|e 2|=1,e 1·e 2=0,|3e 1-e 2|=(3e 1-e 2)2=3e 21-23e 1·e 2+e 22=3-0+1=2. 同理|e 1+λe 2|=1+λ2.所以cos 60°=(3e 1-e 2)·(e 1+λe 2)|3e 1-e 2||e 1+λe 2|=3e 21+(3λ-1)e 1·e 2-λe 2221+λ2=3-λ21+λ2=12, 解得λ=33. 题型三 平面向量与三角函数典例 (2017·江苏三市调研)如图,A 是单位圆与x 轴正半轴的交点,点B ,P 在单位圆上,且B ⎝ ⎛⎭⎪⎫-35,45,∠AOB =α,∠AOP =θ(0<θ<π),OQ →=OA →+OP →,四边形OAQP 的面积为S .(1)求cos α+sin α;(2)求OA →·OQ →+S 的最大值及此时θ的值θ0.解 (1)∵B ⎝ ⎛⎭⎪⎫-35,45,∠AOB =α, ∴cos α=-35,sin α=45,∴cos α+sin α=15.(2)由已知得,A (1,0),P (cos θ,sin θ), ∴OQ →=(1+cos θ,sin θ), OA →·OQ →=1+cos θ, 又S =sin θ,∴OA →·OQ →+S =sin θ+cos θ+1=2sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫θ+π4+1, 又0<θ<π,∴π4<θ+π4<5π4,∴-22<sin ⎝⎛⎭⎪⎫θ+π4≤1, 则OA →·OQ →+S 的最大值为2+1, 此时θ0=π2-π4=π4.思维升华 平面向量与三角函数的综合问题的解题思路(1)题目条件给出向量的坐标中含有三角函数的形式,运用向量共线或垂直或等式成立等,得到三角函数的关系式,然后求解.(2)给出用三角函数表示的向量坐标,要求的是向量的模或者其他向量的表达形式,解题思路是经过向量的运算,利用三角函数在定义域内的有界性,求得值域等. 跟踪训练 在平面直角坐标系xOy 中,已知向量m =⎝⎛⎭⎪⎫22,-22,n =(sin x ,cos x ),x ∈⎝⎛⎭⎪⎫0,π2.(1)若m ⊥n ,求tan x 的值; (2)若m 与n 的夹角为π3,求x 的值.解 (1)因为m =⎝⎛⎭⎪⎫22,-22,n =(sin x ,cos x ),m ⊥n .所以m ·n =0,即22sin x -22cos x =0, 所以sin x =cos x ,所以tan x =1.(2)因为|m |=|n |=1,所以m ·n =cos π3=12,即22sin x -22cos x =12,所以sin ⎝⎛⎭⎪⎫x -π4=12,因为0<x <π2,所以-π4<x -π4<π4,所以x -π4=π6,即x =5π12.利用数量积求向量夹角典例 已知直线y =2x 上一点P 的横坐标为a ,直线外有两个点A (-1,1),B (3,3).求使向量PA →与PB →夹角为钝角的充要条件. 错解展示:现场纠错解 错解中,cos θ<0包含了θ=π, 即PA →,PB →反向的情况,此时a =1,故PA →,PB →夹角为钝角的充要条件是0<a <2且a ≠1.纠错心得 利用数量积的符号判断两向量夹角的范围时,不要忽视两向量共线的情况.1.(2017·江苏天星湖中学月考)设向量a ,b 满足|a +b |=10,|a -b |=6,则a ·b =________. 答案 1解析 由|a +b |=10得a 2+b 2+2a ·b =10,① 由|a -b |=6得a 2+b 2-2a ·b =6,② ①-②得4a ·b =4,∴a ·b =1.2.已知向量a =(2,1),b =(1,3),则向量2a -b 与a 的夹角为________. 答案 45°解析 由题意可得2a -b =2(2,1)-(1,3)=(3,-1), 则|2a -b |=32+(-1)2=10, |a |=22+12=5,且(2a -b )·a =(3,-1)·(2,1)=6-1=5, 设所求向量的夹角为θ,由题意可得cos θ=(2a -b )·a |2a -b ||a |=510×5=22,则向量2a -b 与a 的夹角为45°.3.已知向量a =(m,2),b =(2,-1),且a ⊥b ,则|2a -b |a ·(a +b )=________.答案 1解析 ∵a ⊥b ,∴2m -2=0,∴m =1,则2a -b =(0,5),a +b =(3,1),∴a ·(a +b )=1×3+2×1=5,|2a -b |=5,∴|2a -b |a ·(a +b )=55=1.4.在△ABC 中,AB =3,AC =2,BC =10,则AB →·AC →=________. 答案 32解析 在△ABC 中,cos ∠BAC =AB 2+AC 2-BC 22AB ·AC =9+4-102×3×2=14,∴AB →·AC →=|AB →||AC →|cos ∠BAC =3×2×14=32.5.在△ABC 中,|AB →+AC →|=|AB →-AC →|,AB =2,AC =1,E ,F 为BC 的三等分点,则AE →·AF →=____. 答案109解析 由|AB →+AC →|=|AB →-AC →|,化简得AB →·AC →=0,又因为AB 和AC 为三角形的两条边,它们的长不可能为0,所以AB 与AC 垂直,所以△ABC 为直角三角形.以A 为原点,以AC 所在直线为x 轴,以AB 所在直线为y 轴建立平面直角坐标系,如图所示,则A (0,0),B (0,2),C (1,0).不妨令E 为BC 的靠近C 的三等分点,则E ⎝ ⎛⎭⎪⎫23,23,F ⎝ ⎛⎭⎪⎫13,43, 所以AE →=⎝ ⎛⎭⎪⎫23,23,AF →=⎝ ⎛⎭⎪⎫13,43,所以AE →·AF →=23×13+23×43=109.6.若O 为△ABC 所在平面内任一点,且满足(OB →-OC →)·(OB →+OC →-2OA →)=0,则△ABC 的形状为________三角形.答案 等腰解析 因为(OB →-OC →)·(OB →+OC →-2OA →)=0,即CB →·(AB →+AC →)=0,因为AB →-AC →=CB →,所以(AB →-AC →)·(AB →+AC →)=0,即|AB →|=|AC →|,所以△ABC 是等腰三角形.7.(2017·全国Ⅰ)已知向量a =(-1,2),b =(m,1).若向量a +b 与a 垂直,则m =________. 答案 7解析 ∵a =(-1,2),b =(m,1),∴a +b =(-1+m,2+1)=(m -1,3).又a +b 与a 垂直,∴(a +b )·a =0,即(m -1)×(-1)+3×2=0,解得m =7.8.(2017·江苏泰州中学期中)向量a =(cos 10°,sin 10°),b =(cos 70°,sin 70°),则|a -2b |=________.答案 3解析 a ·b =cos 70°cos 10°+sin 70°sin 10°=cos 60°=12,|a |=|b |=1,所以|a -2b |=a 2+4b 2-4a ·b =1+4-2= 3.9.已知平面内三个不共线向量a ,b ,c 两两夹角相等,且|a |=|b |=1,|c |=3,则|a +b +c |=________.答案 2解析 因为平面内三个不共线向量a ,b ,c 两两夹角相等,所以由题意可知,a ,b ,c 的夹角为120°,又|a |=|b |=1,|c |=3,所以a ·b =-12,a ·c =b ·c =-32,|a +b +c |= 1+1+9+2×⎝ ⎛⎭⎪⎫-12+2×⎝ ⎛⎭⎪⎫-32+2×⎝ ⎛⎭⎪⎫-32=2. 10.已知a =(λ,2λ),b =(3λ,2),如果a 与b 的夹角为锐角,则λ的取值范围是______________.答案 ⎝ ⎛⎭⎪⎫-∞,-43∪⎝ ⎛⎭⎪⎫0,13∪⎝ ⎛⎭⎪⎫13,+∞ 解析 a 与b 的夹角为锐角,则a ·b >0且a 与b 不共线,则⎩⎪⎨⎪⎧ 3λ2+4λ>0,2λ-6λ2≠0,解得λ<-43或0<λ<13或λ>13,所以λ的取值范围是⎝ ⎛⎭⎪⎫-∞,-43∪⎝ ⎛⎭⎪⎫0,13∪⎝ ⎛⎭⎪⎫13,+∞. 11.已知|a |=4,|b |=3,(2a -3b )·(2a +b )=61.(1)求a 与b 的夹角θ;(2)求|a +b |;(3)若AB →=a ,BC →=b ,求△ABC 的面积.解 (1)因为(2a -3b )·(2a +b )=61,所以4|a |2-4a ·b -3|b |2=61.又|a |=4,|b |=3,所以64-4a ·b -27=61,所以a ·b =-6,所以cos θ=a ·b |a||b |=-64×3=-12. 又0≤θ≤π,所以θ=2π3. (2)|a +b |2=(a +b )2=|a |2+2a ·b +|b |2=42+2×(-6)+32=13,所以|a +b |=13.(3)因为AB →与BC →的夹角θ=2π3, 所以∠ABC =π-2π3=π3. 又|AB →|=|a |=4,|BC →|=|b |=3,所以S △ABC =12|AB →||BC →|·sin ∠ABC =12×4×3×32=3 3. 12.(2017·江苏)已知向量a =(cos x ,sin x ),b =(3,-3),x ∈[0,π].(1)若a ∥b ,求x 的值;(2)记f (x )=a ·b ,求f (x )的最大值和最小值以及对应的x 的值.解 (1)因为a =(cos x ,sin x ),b =(3,-3),a ∥b ,所以-3cos x =3sin x .若cos x =0,则sin x =0,与sin 2x +cos 2x =1矛盾,故cos x ≠0.于是tan x =-33.又x ∈[0,π],所以x =5π6. (2)f (x )=a ·b =(cos x ,sin x )·(3,-3)=3cos x -3sin x=23cos ⎝⎛⎭⎪⎫x +π6. 因为x ∈[0,π],所以x +π6∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤π6,7π6, 从而-1≤cos ⎝⎛⎭⎪⎫x +π6≤32, 于是,当x +π6=π6,即x =0时,f (x )取得最大值3; 当x +π6=π,即x =5π6时,f (x )取得最小值-2 3.13.(2016·江苏)如图,在△ABC 中,D 是BC 的中点,E ,F 是AD 上的两个三等分点,BA →·CA→=4,BF →·CF →=-1,则BE →·CE →的值是________.答案 78解析 设AB →=a ,AC →=b ,则BA →·CA →=(-a )·(-b )=a ·b =4.又∵D 为BC 中点,E ,F 为AD 的两个三等分点,则AD →=12(AB →+AC →)=12a +12b , AF →=23AD →=13a +13b . AE →=13AD →=16a +16b , BF →=BA →+AF →=-a +13a +13b =-23a +13b , CF →=CA →+AF →=-b +13a +13b =13a -23b ,则BF →·CF →=⎝ ⎛⎭⎪⎫-23a +13b ⎝ ⎛⎭⎪⎫13a -23b = -29a 2-29b 2+59a ·b =-29(a 2+b 2)+59×4=-1. 可得a 2+b 2=292. 又BE →=BA →+AE →=-a +16a +16b =-56a +16b . CE →=CA →+AE →=-b +16a +16b =16a -56b , 则BE →·CE →=⎝ ⎛⎭⎪⎫-56a +16b ⎝ ⎛⎭⎪⎫16a -56b =-536(a 2+b 2)+2636a ·b =-536×292+2636×4=78. 14.在等腰直角△ABC 中,∠ABC =90°,AB =BC =2,M ,N 为AC 边上的两个动点(M ,N 不与A ,C 重合),且满足|MN →|=2,则BM →·BN →的取值范围为________. 答案 ⎣⎢⎡⎭⎪⎫32,2 解析 不妨设点M 靠近点A ,点N 靠近点C ,以等腰直角三角形ABC 的直角边所在直线为坐标轴建立平面直角坐标系,如图所示,则B (0,0),A (0,2),C (2,0),线段AC 的方程为x +y -2=0(0≤x ≤2).设M (a,2-a ),N (a +1,1-a )(由题意可知0<a <1),∴BM →=(a,2-a ),BN →=(a +1,1-a ),∴BM →·BN →=a (a +1)+(2-a )(1-a )=2a 2-2a +2=2⎝ ⎛⎭⎪⎫a -122+32, ∵0<a <1,∴由二次函数的知识可得BM →·BN →∈⎣⎢⎡⎭⎪⎫32,2.15.设a ,b 为单位向量,且a ⊥b ,若向量c 满足|c -(a +b )|=|a -b |,则|c |的最大值是________.答案 2 2解析 由题意结合a ⊥b ,可设a =(1,0),b =(0,1),c =(x ,y ),则由|c -(a +b )|=|a -b |,得|(x ,y )-(1,1)|=|(1,-1)|,由此可得(x -1)2+(y -1)2=2,即c 对应的点的轨迹在以(1,1)为圆心的圆上,如图所示,∵圆过原点,∴|c |的最大值为圆的直径2 2.16.已知在△ABC 所在平面内有两点P ,Q ,满足PA →+PC →=0,QA →+QB →+QC →=BC →,若|AB →|=4,|AC →|=2,S △APQ =23,则AB →·AC →的值为________. 答案 ±4 3解析 由PA →+PC →=0知,P 是AC 的中点,由QA →+QB →+QC →=BC →,可得QA →+QB →=BC →-QC →,即QA →+QB →=BQ →,即QA →=2BQ →,∴Q 是AB 边靠近B 的三等分点,∴S △APQ =23×12×S △ABC =13S △ABC , ∴S △ABC =3S △APQ =3×23=2. ∵S △ABC =12|AB →||AC →|sin A =12×4×2×sin A =2, ∴sin A =12,∴cos A =±32, ∴AB →·AC →=|AB →||AC →|·cos A =±4 3.。