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- 2021-04-15 发布
第三节 平面向量的数量积与平面向量的应用举例
☆☆☆2017考纲考题考情☆☆☆
考纲要求
真题举例
命题角度
1.理解平面向量数量积的含义及其物理意义;
2.了解平面向量的数量积与向量投影的关系;
3.掌握数量积的坐标表达式,会进行平面向量数量积的运算;
4.能运用数量积表示两个向量的夹角,会用数量积判断两个平面向量的垂直关系;
5.会用向量方法解决某些简单的平面几何问题;
6.会用向量方法解决简单的力学问题与其他一些实际问题。
2016,全国卷Ⅰ,13,5分(向量的几何意义)
2016,全国卷Ⅱ,3,5分(向量数量积的坐标运算)
2016,全国卷Ⅲ,3,5分(向量夹角问题)
2016,天津卷,7,5分(向量的数量积和线性运算)
2015,全国卷Ⅰ,15,5分(向量的数量积运算)
高考对本节内容的考查以向量的长度、夹角及数量积为主,以向量数量积的运算为载体,综合三角函数、解析几何等知识进行考查,是一种新的趋势,复习时应予以关注。以客观题为主,有时出现在解答题中。分值5~12分。
微知识 小题练
自|主|排|查
1.平面向量的数量积
(1)向量的夹角
①定义:已知两个非零向量a和b,作=a,=b,则∠AOB就是向量a与b的夹角。
②范围:设θ是向量a与b的夹角,则0°≤θ≤180°。
③共线与垂直:若θ=0°,则a与b同向共线;若θ=180°,则a与b反向共线;若θ=90°,则a与b垂直。
(2)平面向量的数量积
①定义:已知两个非零向量a与b,它们的夹角为θ,则数量|a||b|cosθ叫做a与b的数量积(或内积),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,即0·a=0。
②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。
2.平面向量数量积的性质及其坐标表示
设向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),θ为向量a,b的夹角。
①数量积:a·b=|a||b|cosθ=x1x2+y1y2。
②模:|a|==。
③夹角:cosθ==。
④两非零向量a⊥b的充要条件:a·b=0⇔x1x2+y1y2=0。
⑤|a·b|≤|a||b|(当且仅当a∥b时等号成立)⇔|x1x2+y1y2|≤ ·。
3.平面向量数量积的运算律
(1)a·b=b·a(交换律)。
(2)λa·b=λ(a·b)=a·(λb)(结合律)。
(3)(a+b)·c=a·c+b·c(分配律)。
微点提醒
1.a在b方向上的投影与b在a方向上的投影不是一个概念,要加以区别。
2.对于两个非零向量a与b,由于当θ=0°时,a·b>0,所以a·b>0是两个向量a,b夹角为锐角的必要而不充分条件;a·b=0也不能推出a=0或b=0,因为a·b=0时,有可能a⊥b。
3.在实数运算中,若a,b∈R,则|ab|=|a|·|b|;若a·b=a·c(a≠0),则b=c。但对于向量a,b却有|a·b|≤|a|·|b|;若a·b=a·c(a≠0),则b=c不一定成立,原因是a·b=|a||b|cosθ,当cosθ=0时,b与c不一定相等。
4.向量数量积的运算不满足乘法结合律,即(a·b)·c不一定等于a·(b·c),这是由于(a·b)·c表示一个与c共线的向量,而a·(b·c)表示一个与a共线的向量,而c与a不一定共线。
小|题|快|练
一 、走进教材
1.(必修4P107例6改编)已知|a|=2,|b|=4,a·b=4,则a与b的夹角θ=________。
【解析】 因为a·b=|a||b|·cosθ,
所以cosθ===,
又因为0°≤θ≤180°,故θ=30°。
【答案】 30°
2.(必修4P105例4改编)已知a=(1,2),b=(3,4),若a+kb与a-kb互相垂直,则实数k=________。
【解析】 由已知a=(1,2),b=(3,4),
若互相垂直,则(a+kb)·(a-kb)=0,
即a2-k2b2=0,
即5-25k2=0,即k2=,
所以k=±。
【答案】 ±
二、双基查验
1.下列四个命题中真命题的个数为( )
①若a·b=0,则a⊥b;
②若a·b=b·c,且b≠0,则a=c;
③(a·b)·c=a·(b·c);
④(a·b)2=a2·b2。
A.4个 B.2个
C.0个 D.3个
【解析】 a·b=0时,a⊥b,或a=0,或b=0。故①命题错。
∵a·b=b·c,∴b·(a-c)=0。
又∵b≠0,∴a=c,或b⊥(a-c)。故②命题错误。
∵a·b与b·c都是实数,故(a·b)·c是与c共线的向量,a·(b·c)是与a共线的向量,
∴(a·b)·c不一定与a·(b·c)相等。故③命题不正确。
∵(a·b)2=(|a||b|cosθ)2=|a|2|b|2cos2θ≤|a|2·|b|2=a2·b2。故④命题不正确。故选C。
【答案】 C
2.在△ABC中,AB=3,AC=2,BC=,则·=( )
A.- B.-
C. D.
【解析】 在△ABC中,
cos∠BAC===,
∴·=||||cos∠BAC=3×2×=。故选D。
【答案】 D
3.已知平面向量a=(1,-3),b=(4,-2),λa+b与a垂直,则λ=( )
A.-1 B.1
C.-2 D.2
【解析】 λa+b=(λ+4,-3λ-2)。
∵λa+b与a垂直,
∴(λa+b)·a=10λ+10=0。∴λ=-1。故选A。
【答案】 A
4.已知单位向量e1,e2的夹角为α,且cosα=,若向量a=3e1-2e2,则|a|=________。
【解析】 ∵|a|2=a·a=(3e1-2e2)·(3e1-2e2)
=9|e1|2-12e1·e2+4|e2|2=9-12×1×1×+4=9
∴|a|=3。
【答案】 3
5.(2016·大连模拟)若a,b满足|a|=,a·(a+b)=1,|b|=1,则a,b的夹角为________。
【解析】 因为|a|=,
所以a·(a+b)=a2+a·b=2+a·b=1,
即a·b=-1。
设a,b的夹角为θ,
则cosθ===-。
因为θ∈[0,π],
所以θ=π。
【答案】 π
第一课时 平面向量的数量积
微考点 大课堂
考点一
平面向量数量积运算
【典例1】 (1)已知a=(2,3),b=(-4,7),则a在b上的投影为( )
A. B.
C. D.
(2)(2016·天津高考)已知△ABC是边长为1的等边三角形,点D,E分别是边AB,BC的中点,连接DE并延长到点F,使得DE=2EF,则·的值为( )
A.- B.
C. D.
【解析】 (1)|a|cosθ====。故选C。
(2)如图,设=m,=n。根据已知得,=m,所以=+=m+n,=m-n,
·=·(m-n)=m2-n2-m·n=--=。故选B。
【答案】 (1)C (2)B
反思归纳 1.当已知向量的模和夹角θ时,可利用定义法求解,即a·b=|a||b|cosθ。
2.当已知向量的坐标时,可利用坐标法求解,即若a=(x1,y1),b=(x2,y2),则a·b=x1x2+y1y2。
【变式训练】 (1)设四边形ABCD为平行四边形,||=6,||=4。若点M,N满足=3
eq o(MC,sup10(→)),=2,则·=( )
A.20 B.15
C.9 D.6
(2)(2016·蚌埠模拟)已知正方形ABCD的边长为1,点E是AB边上的动点。·的最大值为________。
【解析】 (1)在平行四边形ABCD内,易得,
=+,=-,
所以·=·
=·
==×36-×16=12-3=9。故选C。
(2)如图所示,以AB,AD所在的直线分别为x,y轴建立直角坐标系,
设E(t,0),0≤t≤1,则D(0,1),C(1,1),=(t,-1),=(1,0),所以·=t≤1。
【答案】 (1)C (2)1
考点二
平面向量的模与夹角问题
【典例2】 (1)(2017·长沙模拟)已知向量a=(1,2),a·b=5,|a-b|=2,则|b|等于( )
A. B.2
C.5 D.25
(2)(2016·东北三校联考)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°
【解析】 (1)由a=(1,2),可得a2=|a|2=12+22=5。
因为|a-b|=2,
所以a2-2a·b+b2=20,
所以5-2×5+b2=20,
所以b2=25,所以|b|=5。故选C。
(2)解法一:由于a·(a+2b)=a2+2a·b=|a|2+2|a||b|cos60°=4+2×2×=6,|a+2b|====2,所以cos〈a,a+2b〉===,所以〈a,a+2b〉=30°。故选D。
解法二:∵|a+2b|2=4+4+4a·b=8+8cos60°=12,
∴|a+2b|=2,
∴a·(a+2b)=|a|·|a+2b|·cosθ
=2×2cosθ=4cosθ。
又a·(a+2b)=a2+2a·b=4+4cos60°=6,
∴4cosθ=6,cosθ=,θ∈[0°,180°],
∴θ=30°。故选D。
【答案】 (1)C (2)D
反思归纳 1.平面向量夹角的求法
若a,b为非零向量,则由平面向量的数量积公式得cosθ=(夹角公式),所以平面向量的数量积可以用来解决有关角度的问题。
2.平面向量的模的解题方法
(1)若向量a是以坐标形式出现的,求向量a的模可直接利用|a|=。
(2)若向量a,b是非坐标形式出现的,求向量a的模可应用公式|a|2=a2=a·a,或|a±b|2=(a±b)2=a2±2a·b+b2,先求向量模的平方,再通过向量数量积的运算求解。
【变式训练】 (1)(2016·全国卷Ⅲ)已知向量=,=,则∠ABC=( )
A.30° B.45°
C.60° D.120°
(2)(2016·衡水中学二调)已知单位向量a,b,若a·b=0,且|c-a|+|c-2b|=,则|c+2a|的取值范围是( )
A.[1,3] B.[2,3]
C. D.
【解析】 (1)由两向量的夹角公式,可得cos∠ABC===,则∠ABC=30°。故选A。
(2)不妨设a=(1,0),b=(0,1),c=(x,y),所以c-a=(x-1,y),c-2b=(x,y-2),所以+=,即(x,y)到A(1,0)和B(0,2)的距离和为,即表示点(1,0)和 (0,2)之间的线段,|c+2a|=,表示(-2,0)到线段AB上点的距离,最小值是点(-2,0)到直线2x+y-2=0的距离,|c+2a|min==,最大值为(-2,0)到(1,0)的距离是3,所以|c+2a|的取值范围是。故选D。
【答案】 (1)A (2)D
考点三
平面向量的垂直问题
【典例3】 (1)已知向量a=(k,3),b=(1,4),c=(2,1),且(2a-3b)⊥c,则实数k=( )
A.- B.0
C.3 D.
(2)已知向量与的夹角为120°,且||=3,||=2。若=λ+,且⊥,则实数λ的值为________。
【解析】 (1)因为2a-3b=(2k-3,-6),(2a-3b)⊥c,所以(2a-3b)·c=2(2k-3)-6=0,解得k=3。故选C。
(2)=-,由于⊥,
所以·=0,
即(λ+)·(-)
=-λ2+2+(λ-1)·
=-9λ+4+(λ-1)×3×2×=0,λ=。
【答案】 (1)C (2)
【变式训练】 △ABC是边长为2的等边三角形,已知向量a,b满足=2a,=2a+b,则下列结论正确的是( )
A.|b|=1 B.a⊥b
C.a·b=1 D.(4a+b)⊥
【解析】 因为=-=(2a+b)-2a=b,
所以|b|=2,故A错误;
由于·=2a·(2a+b)=4|a|2+2a·b=2×2×=2,
所以2a·b=2-4|a|2=-2,
所以a·b=-1,故B,C错误;
又因为(4a+b)·=(4a+b)·b=4a·b+|b|2=4×1×2×+4=0,
所以(4a+b)⊥。故选D。
【答案】 D
微考场 新提升
1.(2016·全国卷Ⅱ)已知向量a=(1,m),b=(3,-2),且(a+b)⊥b,则m=( )
A.-8 B.-6
C.6 D.8
解析 由向量的坐标运算得a+b=(4,m-2),由(a+b)⊥b,得(a+b)·b=12-2(m-2)=0,解得m=8,故选D。
答案 D
2.(2017·衡水模拟)已知|a|=1,|b|=2,a与b的夹角为,那么|4a-b|=( )
A.2 B.6
C.2 D.12
解析 |4a-b|2=16a2+b2-8a·b=16×1+4-8×1×2×cos=12。∴|4a-b|=2。故选C。
答案 C
3.(2016·成都模拟)△ABC中,点M在线段AC上,点P在线段BM上,且满足==2,若||=2,||=3,∠BAC=90°,则·的值为( )
A.1 B.-
C. D.-
解析 由题知=-,=-=-,=+=+=+,
·=·(-)=·-2+2-·=-+2=-。故选B。
答案 B
4.(2016·合肥联考)已知|a|=1,|b|=2,a与b的夹角为60°,则a+b在a方向上的投影为________。
解析 ∵|a+b|2=a2+b2+2a·b=1+4+2×1×2×=7,∴|a+b|=,cos〈a+b,a〉===。∴a+b在a方向上的投影为|a+b|·cos〈a+b,a〉=×
=2。
答案 2
5.在平面直角坐标系中,O为原点,A(-1,0),B(0,),C(3,0),动点D满足||=1,则|++|的取值范围是________。
解析 设D(x,y),则(x-3)2+y2=1,++=(x-1,y+),故|++|=,|++|的最大值即为圆(x-3)2+y2=1上的点到点(1,-)距离的最大值,其最大值为圆(x-3)2+y2=1的圆心到点(1,-)的距离加上圆的半径,即+1=+1,最小值为-1=-1,故取值范围为[-1,+1]。
答案 [-1,+1]
第二课时 平面向量的应用
微考点 大课堂
考点一
平面向量在函数、不等式中的应用
【典例1】 已知向量a,b满足|a|=2,|b|=1,且对一切实数x,|a+xb|≥|a+b|恒成立,则a,b的夹角的大小为________。
【解析】 由题意得|a+xb|≥|a+b|⇔a2+2xa·b+x2b2≥a2+2a·b+b2⇔x2+2a·bx-1-2a·b≥0,
所以Δ=4(a·b)2-4(-1-2a·b)≤0⇒(a·b+1)2≤0,所以a·b=-1,cos〈a,b〉==-,即a与b的夹角为。
【答案】 π
反思归纳 平面向量沟通了几何与代数、函数、不等式的相关知识如:函数单调性、奇偶性、不等式的解法、不等式的证明、不等式的恒成立等问题必然会与平面向量相关联,以考查学生分析和解决问题的能力。
【变式训练】 (1)已知单位向量a,b,满足a⊥b,则函数f(x)=(xa+2b)2(x∈R)( )
A.既是奇函数又是偶函数
B.既不是奇函数也不是偶函数
C.是偶函数
D.是奇函数
(2)设e1,e2是平面内两个不共线的向量,=(a-1)e1+e2,=be1-2e2(a>0,b>0),若A,B,C三点共线,则+的最小值是( )
A.2 B.4
C.6 D.8
【解析】 (1)因为单位向量a,b,满足a⊥b,所以a·b=0,所以f(x)=(xa+2b)2=x2+4xa·b+4=x2+4。又f(-x)=(-x)2+4=x2+4=f(x),所以函数f(x)为偶函数。故选C。
(2)因为A,B,C三点共线,所以(a-1)×(-2)=1×b,所以2a+b=2。因为a>0,b>0,所以+=·=2++≥2+2 =4(当且仅当=,即a=,b=1时取等号)。故选B。
【答案】 (1)C (2)B
考点二
平面向量在平面几何中的应用……母题发散
【典例2】 已知O是平面上的一定点,A,B,C是平面上不共线的三个动点,若动点P满足=+λ(+),λ∈(0,+∞),则点P的轨迹一定通过△ABC的( )
A.内心 B.外心
C.重心 D.垂心
【解析】 由原等式,得-=λ(+),即=λ(+),根据平行四边形法则,知+是△ABC的中线AD(D为BC的中点)所对应向量的2倍,所以点P的轨迹必过△ABC的重心。故选C。
【答案】 C
【母题变式】 在本典例中,若动点P满足=+λ,λ∈(0,+∞),则点P
的轨迹一定通过△ABC的________。
【解析】 由条件,得-=λ,即=λ,而和分别表示与,同向的单位向量,故+平分∠BAC,即平分∠BAC,所以点P的轨迹必过△ABC的内心。
【答案】 内心
反思归纳 解决向量与平面几何综合问题,可先利用基向量或坐标系建立向量与平面图形的联系,然后通过向量运算研究几何元素之间的关系。
【拓展变式】 如图,Rt△ABC中,∠C=90°,其内切圆切AC边于D点,O为圆心。若||=2||=2,则·=________。
【解析】 以CA所在的直线为x轴,CB所在的直线为y轴,建立平面直角坐标系(分别以射线CA、CB的方向为x轴、y轴的正方向),则C(0,0),O(1,1),A(3,0)。
设直角三角形的内切圆与AB边切于点E,与CB边切于点F,则由圆的切线长定理可得BE=BF,AD=AE=2,设BE=BF=x,在Rt△ABC中,有CB2+CA2=AB2,即(x+1)2+9=(x+2)2,解得x=3,故B(0,4)。
∴·=(1,-3)·(-3,0)=-3。
【答案】 -3
考点三
平面向量在三角函数中的应用……多维探究
角度一:平面向量在三角函数图象与性质中的应用
【典例3】 已知函数f(x)=sinωx(ω>0)的部分图象如图所示,A,B分别是这部分图象上的最高点、最低点,O为坐标原点,若
eq o(OA,sup10(→))·=0,则函数f(x+1)是( )
A.周期为4的奇函数
B.周期为4的偶函数
C.周期为2π的奇函数
D.周期为2π的偶函数
【解析】 由题图可得A,B,由·=0得-3=0,又ω>0,∴ω=,
∴f(x)=sinx,
∴f(x+1)=sin=cosx,它是周期为4的偶函数。故选B。
【答案】 B
角度二:平面向量在解三角形中的应用
【典例4】 (2016·山西四校联考)已知在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,向量m=(sinA,sinB),n=(cosB,cosA),m·n=sin2C。
(1)求角C的大小;
(2)若sinA,sinC,sinB成等差数列,且·(-)=18,求c边的长。
【解析】 (1)m·n=sinA·cosB+sinB·cosA=sin(A+B),
对于△ABC,A+B=π-C,00,ω>0,|φ|<)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·=0(O为坐标原点),则A等于( )
A. B.π
C.π D.π
(2)在△ABC中,(+)·=||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
【解析】 (1)由题意知M,N,又·=×π-A2=0,
∴A=π。故选B。
(2)由(+)·=||2,
得·(+-)=0,
即·(++)=0,2·=0,
∴⊥,∴A=90°。
又根据已知条件不能得到||=||,
故△ABC一定是直角三角形。故选C。
【答案】 (1)B (2)C
考点四
平面向量在解析几何中的应用
【典例5】 过抛物线y2=2px(p>0)的焦点F的直线l与抛物线在第一象限的交点为A,与抛物线的准线的交点为B,点A在抛物线的准线上的射影为C,若=,·=48,则抛物线的方程为( )
A.y2=8x B.y2=4x
C.y2=16x D.y2=4x
【解析】 如图,=⇒F为线段AB的中点,∵AF=AC,∴∠ABC=30°,由·=48得BC=4,则AC=4。∴由中位线性质有p=AC=2,故抛物线的方程为y2=4x。故选B。
【答案】 B
反思归纳 向量在解析几何中的应用:
1.载体作用:向量在解析几何问题中出现,多用于“包装”,解决此类问题时关键是利用向量的意义、运算脱去“向量外衣”,导出曲线上点的坐标之间的关系,从而解决有关距离、斜率、夹角、轨迹、最值等问题。
2.工具作用:利用数量积与共线定理可解决垂直、平行问题。特别地,向量垂直、平行的坐标表示对于解决解析几何中的垂直、平行问题是一种比较可行的方法。
【变式训练】 已知平面上一定点C(2,0)和直线l:x=8,P为该平面上一动点,作PQ⊥l,垂足为Q,且·=0。
(1)求动点P的轨迹方程;
(2)若EF为圆N:x2+(y-1)2=1的任一条直径,求·的最值。
【解析】 (1)设P(x,y),则Q(8,y)。
由·=0,得||2-||2=0,
即(x-2)2+y2-(x-8)2=0,化简得+=1。
所以点P在椭圆上,其方程为+=1。
(2)·=(-)·(-)=(--)·(-)=2-2=2-1,
P是椭圆+=1上的任一点,设P(x0,y0),
则有+=1,即x=16-,又N(0,1),
所以2=x+(y0-1)2=-y-2y0+17
=-(y0+3)2+20。
因为y0∈[-2,2],所以当y0=-3时,2取得最大值20,故·的最大值为19;
当y0=2时,2取得最小值为13-4(此时x0=0),故·的最小值为12-4。
【答案】 (1)+=1
(2)最大值为19,最小值为12-4
微考场 新提升
1.已知向量a=(1,sinθ),b=(1,cosθ),则|a-b|的最大值为( )
A.1 B.
C. D.2
解析 ∵a=(1,sinθ),b=(1,cosθ),
∴a-b=(0,sinθ-cosθ),
∴|a-b|==。
∴|a-b|的最大值为。故选B。
答案 B
2.设a,b是非零向量,若函数f(x)=(xa+b)·(a-xb)的图象是一条直线,则必有( )
A.a⊥b B.a∥b
C.|a|=|b| D.|a|≠|b|
解析 f(x)=-(a·b)x2+(a2-b2)x+a·b。
依题意知f(x)的图象是一条直线,
∴a·b=0,即a⊥b。故选A。
答案 A
3.(2016·郴州质检)已知△ABC的外心P满足=(+),则cosA=( )
A. B.
C.- D.
解析 取BC的中点D,连接AD,PD,则=+=(+)+,
又=(+),
所以=(+)。
由·=(+)·(-)=0,
得||=||。又=2,所以P又是重心,所以△ABC是等边三角形,所以cosA=cos60°=。故选A。
答案 A
4.(2017·唐山模拟)过点A(3,1)的直线l与圆C:x2+y2-4y-1=0相切于点B,则·=________。
解析 由x2+(y-2)2=5,可知圆心C(0,2),半径r=,所以|AC|==,所以|AB|==,所以∠ACB=45°,所以·=××cos45°=5。
答案 5
5.在△ABC中,∠ACB为钝角,AC=BC=1,=x+y,且x+y=1。若函数f(m)=|-m|(m∈R)的最小值为,则||的最小值为________。
解析 由=x+y,且x+y=1,可知A,O,B三点共线,所以||的最小值为AB边上的高,又AC=BC=1,即O为AB的中点,且函数f(m)=|-m|的最小值为,
即点A到BC边的距离为。又AC=1,所以∠ACB=120°,从而可得||的最小值为。
答案