第五章 5.4 平面向量应用举例
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平面向量的向量积在数学中,平面向量的向量积是一种重要的运算,它可以帮助我们解决许多与平面几何相关的问题。
本文将详细介绍平面向量的向量积的定义、性质以及应用。
一、定义平面向量的向量积又称为叉乘或矢量积,用符号"×"表示。
对于平面上的两个向量u和v,它们的向量积u×v定义为一个新的向量,满足以下条件:1. 向量积的模长等于原向量模长的乘积与它们夹角的正弦值,即|u×v| = |u||v|sinθ,其中θ为u和v的夹角。
2. 向量积的方向垂直于平面,它的方向遵循右手法则,即将右手的四指指向向量u,再将四指转向向量v,大拇指的方向就是向量积的方向。
二、性质平面向量的向量积具有以下性质:1. u×v与v×u方向相反,但模长相等。
2. u×(v+w) = u×v + u×w,即向量积满足分配律。
3. (ku)×v = k(u×v) = u×(kv),其中k为实数。
4. 若u与v共线或其中一个向量为零向量,则它们的向量积为零向量。
三、几何意义平面向量的向量积在几何上有重要的意义,它可以用来求解以下问题:1. 判断两个向量的方向是否一致:若u×v为零向量,则u和v共线;若u×v不为零向量,则u和v不共线。
2. 求两个向量所夹的平行四边形的面积:若u和v为非零向量,则其所夹平行四边形的面积为|u×v|。
3. 求三个非共面向量构成的平行六面体的体积:若u、v和w为非共线向量,则该平行六面体的体积为|u·(v×w)|,其中·表示点积。
四、计算方法平面向量的向量积可以用行列式的形式进行计算。
设u = (x₁, y₁)和v = (x₂, y₂),则u×v = x₁y₂ - x₂y₁。
这种计算方法可以轻松求解向量积的模长和方向。
§5.3 平面向量的数量积1.平面向量的数量积已知两个非零向量a 与b ,它们的夹角为θ,则数量|a ||b |cos θ叫做a 与b 的数量积(或内积),记作a ·b =|a ||b |cos θ.规定:零向量与任一向量的数量积为__0__.两个非零向量a 与b 垂直的充要条件是 a·b =0,两个非零向量a 与b 平行的充要条件是 a·b =±|a||b|.2.平面向量数量积的几何意义数量积a·b 等于a 的长度|a |与b 在a 的方向上的投影|b |cos θ的乘积. 3.平面向量数量积的重要性质 (1)e·a =a·e =|a |cos θ;(2)非零向量a ,b ,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|,a·a =|a |2,|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 (交换律);(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. 【思考辨析】判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”(1)向量在另一个向量方向上的投影为数量,而不是向量.( )(2)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.( ) (3)△ABC 内有一点O ,满足OA →+OB →+OC →=0,且OA →·OB →=OB →·OC →,则△ABC 一定是等腰三角形.( )(4)在四边形ABCD 中,AB →=DC →且AC →·BD →=0,则四边形ABCD 为矩形.( )(5)两个向量的夹角的范围是[0,π2].( )(6)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λ<-43或λ>0.( )1.(2014·重庆)已知向量a =(k,3),b =(1,4),c =(2,1),且(2a -3b )⊥c ,则实数k 等于( ) A .-92B .0C .3D.1522.已知向量a ,b 的夹角为60°,且|a |=2,|b |=1,则向量a 与向量a +2b 的夹角等于( ) A .150° B .90° C .60° D .30°3.已知a =(2,3),b =(-4,7),则a 在b 方向上的投影为________.4.在△ABC 中,M 是BC 的中点,AM =3,点P 在AM 上,且满足AP →=2PM →,则P A →·(PB →+PC →)的值为________.题型一 平面向量数量积的运算例1 (1)(2013·湖北)已知点A (-1,1)、B (1,2)、C (-2,-1)、D (3,4),则向量AB →在CD →方向上的投影为( ) A.322B.3152C. -322D .-3152(2)已知正方形ABCD 的边长为1,点E 是AB 边上的动点,则DE →·CB →的值为________;DE →·DC →的最大值为________.(1)已知平面向量a =(x 1,y 1),b =(x 2,y 2),若|a |=2,|b |=3,a ·b =-6.则x 1+y 1x 2+y 2的值为( )A.23 B .-23 C.56 D .-56(2)在△ABC 中,若A =120°,AB →·AC →=-1,则|BC →|的最小值是( ) A. 2 B .2 C. 6 D .6题型二 求向量的模与夹角例2 (1)若平面向量a 与平面向量b 的夹角等于π3,|a |=2,|b |=3,则2a -b 与a +2b 的夹角的余弦值等于( ) A.126 B .-126C.112D .-112(2)已知向量a ,b 的夹角为45°,且|a |=1,|2a -b |=10,则|b |=________.(3)(2013·山东)已知向量AB →与AC →的夹角为120°,且|AB →|=3,|AC →|=2.若A P →=λAB →+AC →,且AP →⊥BC →,则实数λ的值为________.(1)(2013·天津)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________.(2)(2014·江西)已知单位向量e 1与e 2的夹角为α,且cos α=13,向量a =3e 1-2e 2与b =3e 1-e 2的夹角为β,则cos β=________. 题型三 数量积的综合应用例3 已知△ABC 的角A 、B 、C 所对的边分别是a 、b 、c ,设向量m =(a ,b ),n =(sin B ,sin A ),p =(b -2,a -2).(1)若m ∥n ,求证:△ABC 为等腰三角形;(2)若m ⊥p ,边长c =2,角C =π3,求△ABC 的面积.已知向量m =(2sin(ωx +π3),1),n =(2cos ωx ,-3)(ω>0),函数f (x )=m ·n 的两条相邻对称轴间的距离为π2.(1)求函数f (x )的单调递增区间; (2)当x ∈[-5π6,π12]时,求f (x )的值域.高考中以向量为背景的创新题典例:(1)对任意两个非零的平面向量α和β,定义α∘β=α·ββ·β.若两个非零的平面向量a ,b 满足a 与b 的夹角θ∈(π4,π2),且a ∘b 和b ∘a 都在集合{n2|n ∈Z }中,则a ∘b 等于( )A.52B.32 C .1 D.12(2)设向量a =(a 1,a 2),b =(b 1,b 2),定义一种向量积a ⊗b =(a 1b 1,a 2b 2),已知向量m =(2,12),n =(π3,0),点P (x ,y )在y =sin x 的图象上运动,Q 是函数y =f (x )图象上的点,且满足OQ →=m ⊗OP →+n (其中O 为坐标原点),则函数y =f (x )的值域是________.A 组 专项基础训练 (时间:45分钟)1.若向量a ,b 满足|a |=|b |=|a +b |=1,则a ·b 的值为( ) A .-12 B.12C .-1D .12.已知向量a =(1,3),b =(-1,0),则|a +2b |等于( ) A .1 B. 2 C .2 D .43.已知向量a =(1,2),b =(2,-3).若向量c 满足(c +a )∥b ,c ⊥(a +b ),则c 等于( ) A.⎝⎛⎭⎫79,73 B.⎝⎛⎭⎫-73,-79 C.⎝⎛⎭⎫73,79D.⎝⎛⎭⎫-79,-73 4.向量AB →与向量a =(-3,4)的夹角为π,|AB →|=10,若点A 的坐标是(1,2),则点B 的坐标为( ) A .(-7,8) B .(9,-4) C .(-5,10)D .(7,-6)5.(2013·福建)在四边形ABCD 中,AC →=(1,2),BD →=(-4,2),则该四边形的面积为( ) A. 5 B .2 5 C .5 D .106.(2014·北京)已知向量a ,b 满足|a |=1,b =(2,1),且λa +b =0(λ∈R ),则|λ|=________. 7.(2013·课标全国Ⅱ)已知正方形ABCD 的边长为2,E 为CD 的中点,则AE →·BD →=________. 8.已知a =(2,-1),b =(λ,3),若a 与b 的夹角为钝角,则λ的取值范围是____________. 9.已知|a |=4,|b |=3,(2a -3b )·(2a +b )=61. (1)求a 与b 的夹角θ; (2)求|a +b |和|a -b |.10.已知△ABC 的内角为A 、B 、C ,其对边分别为a 、b 、c ,B 为锐角,向量m =(2sin B ,-3),n =(cos 2B,2cos 2B2-1),且m ∥n .(1)求角B 的大小;(2)如果b =2,求S △ABC 的最大值.B 组 专项能力提升 (时间:20分钟)11.△ABC 的外接圆圆心为O ,半径为2,OA →+AB →+AC →=0,且|OA →|=|AB →|,则CA →在CB →方向上的投影为( )A .1B .2 C. 3 D .312.在△ABC 中,A =90°,AB =1,AC =2.设点P ,Q 满足AP →=λAB →,AQ →=(1-λ)AC →,λ∈R .若BQ →·CP →=-2,则λ等于( ) A.13 B.23 C.43D .2 13.如图所示,在平面四边形ABCD 中,若AC =3,BD =2,则(AB →+DC →)·(AC →+BD →)=________.14.(2014·湖南)在平面直角坐标系中,O 为原点,A (-1,0),B (0,3),C (3,0),动点D 满足|CD →|=1,则|OA →+OB →+OD →|的最大值是________.15.已知向量p =(2sin x ,3cos x ),q =(-sin x,2sin x ),函数f (x )=p ·q . (1)求f (x )的单调递增区间;(2)在△ABC 中,a ,b ,c 分别是角A ,B ,C 的对边,且f (C )=1,c =1,ab =23,且a >b ,求a ,b 的值.§5.4 平面向量应用举例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:平面几何问题――→设向量向量问题――→运算解决向量问题――→还原解决几何问题2.平面向量与其他数学知识的交汇平面向量作为一个运算工具,经常与函数、不等式、三角函数、数列、解析几何等知识结合,当平面向量给出的形式中含有未知数时,由向量平行或垂直的充要条件可以得到关于该未知数的关系式.在此基础上,可以求解有关函数、不等式、三角函数、数列的综合问题.此类问题的解题思路是转化为代数运算,其转化途径主要有两种:一是利用平面向量平行或垂直的充要条件;二是利用向量数量积的公式和性质.【思考辨析】判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)(1)若AB→∥AC→,则A,B,C三点共线.()(2)解析几何中的坐标、直线平行、垂直、长度等问题都可以用向量解决.()(3)实现平面向量与三角函数、平面向量与解析几何之间的转化的主要手段是向量的坐标运算.()(4)在△ABC中,若AB→·BC→<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:OP→=OA→+t(AB→+AC→),t∈R,则点P的轨迹方程是x-y+1=0.()1.已知△ABC的三个顶点的坐标分别为A(3,4),B(5,2),C(-1,-4),则这个三角形是() A.锐角三角形B.直角三角形C.钝角三角形D.等腰直角三角形2.(2014·山东)已知向量a=(1,3),b=(3,m).若向量a,b的夹角为π6,则实数m等于()A .2 3 B. 3 C .0 D .-33.平面上有三个点A (-2,y ),B ⎝⎛⎭⎫0,y 2,C (x ,y ),若AB →⊥BC →,则动点C 的轨迹方程为__________. 题型一 向量在平面几何中的应用例1 如图所示,四边形ABCD 是正方形,P 是对角线DB 上的一点(不包括端点),E ,F 分别在边BC ,DC 上,且四边形PFCE 是矩形,试用向量法证明:P A =EF .(1)在边长为1的菱形ABCD 中,∠BAD =60°,E 是BC 的中点,则AC →·AE →等于( ) A.3+33B.92C. 3D.94(2)在△ABC 所在平面上有一点P ,满足P A →+PB →+PC →=AB →,则△P AB 与△ABC 的面积的比值是( )A.13B.12C.23D.34题型二 向量在三角函数中的应用例2 已知在锐角△ABC 中,两向量p =(2-2sin A ,cos A +sin A ),q =(sin A -cos A,1+sin A ),且p 与q 是共线向量. (1)求A 的大小; (2)求函数y =2sin 2B +cos ⎝⎛⎭⎫C -3B 2取最大值时,B 的大小.(1)已知a ,b ,c 为△ABC 的三个内角A ,B ,C 的对边,向量m =(3,-1),n=(cos A ,sin A ).若m ⊥n ,且a cos B +b cos A =c sin C ,则角A ,B 的大小分别为( ) A.π6,π3 B.2π3,π6 C.π3,π6D.π3,π3(2)△ABC 的三个内角A ,B ,C 所对的边长分别是a ,b ,c ,设向量m =(a +b ,sin C ),n =(3a +c ,sin B -sin A ),若m ∥n ,则角B 的大小为________. 题型三 平面向量在解析几何中的应用例3 (1)已知向量OA →=(k,12),OB →=(4,5),OC →=(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+y 2=3的圆心,且圆上有一点M (x ,y )满足OM →·CM →=0,则yx=________. 跟踪训练3 (2013·湖南改编)已知a ,b 是单位向量,a ·b =0.若向量c 满足|c -a -b |=1,则|c |的最大值为________.三审图形抓特点典例:如图所示,把两块斜边长相等的直角三角板拼在一起,若AD →=xAB →+yAC →,则x =________,y = ________.A 组 专项基础训练 (时间:45分钟)1.(2014·福建)设M 为平行四边形ABCD 对角线的交点,O 为平行四边形ABCD 所在平面内任意一点,则OA →+OB →+OC →+OD →等于( ) A.OM → B .2OM → C .3OM →D .4OM →2.平面四边形ABCD 中,AB →+CD →=0,(AB →-AD →)·AC →=0,则四边形ABCD 是( ) A .矩形 B .梯形 C .正方形D .菱形3.在△ABC 中,(BC →+BA →)·AC →=|AC →|2,则△ABC 的形状一定是( ) A .等边三角形 B .等腰三角形 C .直角三角形D .等腰直角三角形4.已知点A (-2,0)、B (3,0),动点P (x ,y )满足P A →·PB →=x 2-6,则点P 的轨迹是( ) A .圆 B .椭圆 C .双曲线D .抛物线5.若函数y =A sin(ωx +φ)(A >0,ω>0,|φ|<π2)在一个周期内的图象如图所示,M ,N 分别是这段图象的最高点和最低点,且OM →·ON →=0(O 为坐标原点),则A 等于( )A.π6B.712πC.76πD.73π6.已知在△ABC 中,AB →=a ,AC →=b ,a·b <0,S △ABC =154,|a |=3,|b |=5,则∠BAC =________.7.已知|a |=2|b |,|b |≠0且关于x 的方程x 2+|a |x -a·b =0有两相等实根,则向量a 与b 的夹角是________.8.已知在平面直角坐标系中,O (0,0),M (1,1),N (0,1),Q (2,3),动点P (x ,y )满足不等式0≤OP →·OM →≤1,0≤OP →·ON →≤1,则z =OQ →·OP →的最大值为________.9.已知△ABC 中,∠C 是直角,CA =CB ,D 是CB 的中点,E 是AB 上一点,且AE =2EB ,求证:AD ⊥CE .10.已知A ,B ,C 三点的坐标分别为A (3,0),B (0,3),C (cos α,sin α),其中α∈(π2,3π2).(1)若|AC →|=|BC →|,求角α的值. (2)若AC →·BC →=-1,求tan(α+π4)的值.B 组 专项能力提升 (时间:20分钟)11.(2014·浙江)记max{x ,y }=⎩⎪⎨⎪⎧ x ,x ≥y ,y ,x <y ,min{x ,y }=⎩⎪⎨⎪⎧y ,x ≥y ,x ,x <y ,设a ,b 为平面向量,则( )A .min{|a +b |,|a -b |}≤min{|a |,|b |}B .min{|a +b |,|a -b |}≥min{|a |,|b |}C .max{|a +b |2,|a -b |2}≤|a |2+|b |2D .max{|a +b |2,|a -b |2}≥|a |2+|b |212.(2013·浙江)设△ABC ,P 0是边AB 上一定点,满足P 0B =14AB ,且对于边AB 上任一点P ,恒有PB →·PC →≥P 0B →·P 0C →,则( ) A .∠ABC =90° B .∠BAC =90° C .AB =ACD .AC =BC13.已知向量OA →=(3,-4),OB →=(6,-3),OC →=(5-m ,-3-m ),若∠ABC 为锐角,则实数m 的取值范围是________.14.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|P A →+3PB →|的最小值为________.15.在△ABC中,设内角A,B,C的对边分别为a,b,c,向量m=(cos A,sin A),向量n =(2-sin A,cos A),若|m+n|=2.(1)求内角A的大小;(2)若b=42,且c=2a,求△ABC的面积.。
平面向量应用举例一周强化一、一周知识概述向量是区别于数量的一种量,是中学数学中的一个重要概念.向量具有两重性,一是代数属性,二是几何属性,使得数与形的结合体现到极致.向量作为一种重要的数学工具,除在数学中有广泛的应用外,在物理学、工程技术中也有广泛的应用.二、重难点知识归纳讲解1、解决平面几何问题由于平面向量的线性运算和数量积运算具有鲜明的几何背景,利用向量可以表示出平面几何的许多性质,如平移,平行,垂直、全等、相似以及夹角等,利用向量可以方便地解决平面几何中的一些问题,思路清晰,运算简单.例1、已知任意凸四边形ABCD中,E、F分别是AD、BC中点,如图所示.求证:.解析:向量的加法,减法的运算并不困难,但运算的途径很多,十分灵活,如平面任一向量都可以写成两个或多个向量的和.同样任一向量都可以分成两个向量的差等,本题证法较多,这里选取五种.证法一:证法二:在平面上任取一点O,由中线公式得证法三:过点C在平面内作,则四边形ABGC是平行四边形,故F为AG中点. ∴ EF是△ADG的中位线,∴ EF DG,∴证法四:如图所示,连EB、EC,则有又∵ E是AD的中点,以为邻边作平行四边形EBGC,则由F是BC之中点,可得F也是EG之中点.证法五:例2、如图所示,正方形ABCD中,P为线段BD上任一点,PECF为矩形,求证:(1)PA=EF;(2)PA⊥EF.解析:平面几何问题,有的用向量的方法来处理,会有简洁的解法.此题可设坐标,利用坐标运算.证明:以D为坐标原点,DC所在直线为x轴建立坐标系.设C(1,0),A(0,1),P(x,x),则E(x,0),F(1,x)2、解决函数问题结合函数的图象,利用向量解决函数有关问题.例3、过原点O的直线与函数y=log8x的图象交于A、B两点,过A、B分别作x轴的垂线交函数y=log2x的图象于C,D两点.求证:O,C,D三点在一条直线上.分析:将共线证明转化为论证向量共线的关系式.证明:如图,设A(x1,log8x1),B(x2,log8x2),根据已知共线,∴x1log8x2-x2log8x1=0.又根据已知C(x1,log2x1),D(x2,log2x2),∴∵x1log2x2-x2log2x1=x1log8x23-x2log8x13=3(x1log8x2-x2log8x1)=0,∴共线,即O,C,D三点在一条直线上.三、向量在物理中的应用运用向量解决物理问题时,必须清楚哪些物理量是向量,可以从以下几方面理解:1、力,速度,加速度都是向量;2、力,速度,加速度,位移的合成与分解就是向量的加减法,运动的叠加亦用到向量的合成;3、动量是数乘向量;4、功定义即力与所产生位移的内积.例4、如图,重力为的均匀小球放在倾角为α的斜面上,球被与斜面夹角为θ的木板挡住,球面、木板均光滑,若使球对木板压力最小,则木板与斜面间的夹角θ应为多大?分析:本题可以通过把球对木板的压力N表示为关于木板夹角θ的函数,再去求N的最小值.解:小球受力如图:重力,斜面弹力(垂直于斜面),木板弹力(垂直于木板),其中与合力大小恒为︱︱,方向向上,方向始终不变,随着木板的转动,的大小均在变化.=,当sinθ取最大值1时,︱︱min=︱︱sinα,此时θ=.点评:对于本题的解答,要结合到物理知识即会对物理进行受力分析,才能探讨出N1与θ的函数关系式.例5、今有一小船位于d=60m宽的河边P处,从这里起,在下游L=80m处河流变成“飞流直下三千尺”的瀑布.若河水流速方向由上游指向下游(与河岸平行),水速大小5m/s为,如图所示,为了小船能安全渡河,船的划速不能小于多少?当划速最小时,划速方向如何?分析:本题可分别从数学和物理两个方面进行剖析,因而可以给出以下两种解法.解法一:设船的划速为,方向与上游河岸的夹角为,如图,将正交分解为,,则船同时参与两个分运动:一个是沿方向的速度为的匀速直线运动,另一个是沿方向的速度为的匀速直线运动,这两个分运动的时间和必相等,设船到达对岸时,极其靠近河流与瀑布的交界处.由∴令.显见,当时,有最小值为3m/s.此时解法二:在题设条件下,船的临界合速度沿图的PQ方向,设,从A向PQ作垂线,垂足为B,有向线段 AB即表示最小划速的大小和方向,,,可见当时,划速方向与解法一相同.点评:对于本题的两种解法中,分别从速度的分解与合成入手,体现了数形结合的密不可分的关系.。