内容正文:
第八章 向量的数量积与三角恒等变换
§8.1 向量的数量积
8.1.3 向量数量积的坐标运算
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x1x2+y1y2
a·b=x1x2+y1y2=0
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第八章 向量的数量积与三角恒等变换
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学业标准
学科素养
1.掌握向量数量积的坐标表示,会进行平面向量数量积的坐标运算.
(重点)
2.能利用向量数量积的坐标运算与度量公式解决有关长度、角度、垂直等问题.(重点、难点)
1.通过推导数量积、模长、夹角的坐标表示,培养逻辑推理等核心素养.
2.通过数量积的坐标运算,提升数学运算等核心素养.
导学1 向量数量积的坐标表示
设i,j是两个互相垂直且分别与x轴、y轴的正半轴同向的单位向量.
取i,j为坐标平面内的一组基底,设a=(x1,y1),b=(x2,y2),试将a,b用i,j表示,并计算a·b.
[提示] ∵a=x1i+y1j,b=x2i+y2j,
∴a·b=(x1i+y1j)·(x2i+y2j)
=x1x2i2+(x1y2+x2y1)i·j+y1y2j2
=x1x2+y1y2.
若a⊥b,则a,b坐标间有何关系?
[提示] a⊥b⇔a·b=0⇔x1x2+y1y2=0.
◎结论形成
设向量a=(x1,y1),b=(x2,y2).
数量积
a·b=______________
向量垂直的充要条件
______________________
导学2 向量的模长及夹角公式
若a=(x,y),试将向量的模|a|用坐标表示.
[提示] ∵a=x i+yj,x,y∈R,
∴a2=(x i+yj)2=(x i)2+2xy i·j+(yj)2=x2i2+2xy i·j+y2j2.
又∵i2=1,j2=1,i·j=0,
∴a2=x2+y2,∴|a|2=x2+y2,
∴|a|= eq \r(x2+y2) .
若A(x1,y1),B(x2,y2),如何计算向量 eq \o(AB,\s\up16(→)) 的模?
[提示] ∵ eq \o(AB,\s\up16(→)) = eq \o(OB,\s\up16(→)) - eq \o(OA,\s\up16(→)) =(x2,y2)-(x1,y1)
=(x2-x1,y2-y1),
∴| eq \o(AB,\s\up16(→)) |= eq \r((x2-x1)2+(y2-y1)2) .
◎结论形成
条件
结论
向量的模
a=(x,y)
|a|=__________
两点间的距离
以A(x1,y1),B(x2,y2)为端点的向量 eq \o(AB,\s\up16(→))
| eq \o(AB,\s\up16(→)) |=_________________________
两向量的夹角
a=(x1,y1),
b=(x2,y2)
cos 〈a,b〉=____________________
eq \r(x2+y2)
eq \r((x2-x1)2+(y2-y1)2)
eq \o\al(2,1) eq \f(x1x2+y1y2,\r(x+y eq \o\al(2,1) )\r(x eq \o\al(2,2) +y eq \o\al(2,2) ))
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)向量的模等于向量坐标的平方和.( )
(2)若a=(x1,y1),b=(x2,y2),则a⊥b⇔x1x2+y1y2=0.( )
(3)若两个非零向量的夹角θ满足cos θ<0,则两向量的夹角θ一定是钝角.( )
(4)若a=(x1,y1),b=(x2,x2),则a·b=x1y2+x2y1.( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)×
2.已知向量 eq \o(BA,\s\up16(→)) = eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),\f(\r(3),2))) , eq \o(BC,\s\up16(→)) = eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2),\f(1,2))) ,则∠ABC=( )
A.30°
B.45°
C.60°
D.120°
解析 由题意得cos ∠ABC= eq \f(\o(BA,\s\up16(→))·\o(BC,\s\up16(→)),|\o(BA,\s\up16(→))||\o(BC,\s\up16(→))|)
= eq \f(\f(1,2)×\f(\r(3),2)+\f(\r(3),2)×\f(1,2),1×1) = eq \f(\r(3),2) ,
又0°≤∠ABC≤180°,所以∠ABC=30°.
答案 A
3.已知点A(1,3),B(4,-1),则与向量 eq \o(AB,\s\up16(→)) 同方向的单位向量为( )
A. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,5),-\f(4,5)))
B. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,5),-\f(3,5)))
C. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(3,5),\f(4,5)))
D. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(4,5),\f(3,5)))
解析 eq \o(AB,\s\up16(→)) =(4-1,-1-3)=(3,-4),
所以| eq \o(AB,\s\up16(→)) |= eq \r(32+(-4)2) =5,
因此与向量 eq \o(AB,\s\up16(→)) 同方向的单位向量为 eq \f(\o(AB,\s\up16(→)),|\o(AB,\s\up16(→))|) = eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,5),-\f(4,5))) .
答案 A
4.设向量a=(1,-1),b=(m+1,2m-4),若a⊥b,则m=________.
解析 因为a⊥b,所以a·b=m+1-(2m-4)=0,所以m=5.
答案 5
题型一 向量数量积的坐标运算
(1)已知a=(-4,3),b=(1,2),则a2-(a-b)·b=( )
A.8
B.3+ eq \r(5)
C.28
D.32
(2)在平面直角坐标系xOy中,已知四边形ABCD是平行四边形, eq \o(AB,\s\up16(→)) =(1,-2), eq \o(AD,\s\up16(→)) =(2,1),则 eq \o(AD,\s\up16(→)) · eq \o(AC,\s\up16(→)) 等于________.
(3)如图所示,在矩形ABCD中,AB= eq \r(2) ,BC=2,点E为BC的中点,点F在边CD上,若 eq \o(AB,\s\up16(→)) · eq \o(AF,\s\up16(→)) = eq \r(2) ,则 eq \o(AE,\s\up16(→)) · eq \o(BF,\s\up16(→)) 的值是________.
[解析] (1)a2-(a-b)·b=a2-a·b+b2
=25-(-4+6)+5=28.故选C.
(2)由 eq \o(AC,\s\up16(→)) = eq \o(AB,\s\up16(→)) + eq \o(AD,\s\up16(→)) =(1,-2)+(2,1)=(3,-1),
得 eq \o(AD,\s\up16(→)) · eq \o(AC,\s\up16(→)) =(2,1)·(3,-1)=5.
(3)以A为坐标原点,AB,AD分别为x轴、y轴建立平面直角坐标系,则A(0,0),B( eq \r(2) ,0).
设F(t,2),(0<t≤ eq \r(2) ),
由 eq \o(AB,\s\up16(→)) · eq \o(AF,\s\up16(→)) = eq \r(2) 得 eq \r(2) t= eq \r(2) ,
∴t=1,即F(1,2),
∴ eq \o(BF,\s\up16(→)) =(1- eq \r(2) ,2), eq \o(AE,\s\up16(→)) =( eq \r(2) ,1),
即 eq \o(AE,\s\up16(→)) · eq \o(BF,\s\up16(→)) = eq \r(2) -2+2= eq \r(2) .
[答案] (1)C (2)5 (3) eq \r(2)
关于向量数量积的运算
(1)在计算数量积的过程中,注意数量积运算律的应用,强调先化简再代入坐标运算.
(2)注意平面向量基本定理的应用,利用已知坐标的向量表示未知向量后计算.
(3)在特殊图形中,如等腰三角形、矩形、正方形等可以通过建立直角坐标系,表示出向量的坐标后计算.
[触类旁通]
1.(1)(2024·安徽铜陵高一期中)已知向量a=(-2,2),b=(1,3),则(a-b)·(a+b)=( )
A.4
B.2
C.-2
D.-4
解析 ∵a=(-2,2),b=(1,3),
∴a-b=(-3,-1),a+b=(-1,5),
∴(a-b)·(a+b)=-3×(-1)+(-1)×5=-2.
答案 C
(2)在边长为6的正方形ABCD中,点E为DC的中点,点F在边BC上且 eq \o(BF,\s\up16(→)) = eq \f(1,2)
eq \o(FC,\s\up16(→)) ,则 eq \o(AE,\s\up16(→)) · eq \o(AF,\s\up16(→)) =( )
A.18
B.24
C.30
D.42
解析 建立平面直角坐标系如图所示,
易知A(0,0),E(3,6),F(6,2),
所以 eq \o(AE,\s\up16(→)) =(3,6), eq \o(AF,\s\up16(→)) =(6,2),
所以 eq \o(AE,\s\up16(→)) · eq \o(AF,\s\up16(→)) =3×6+6×2=30.
答案 C
题型二 向量的夹角(垂直)、模长问题 多维探究
角度1 向量的模的问题
(1)已知向量a=(2,1),b=(-1,1),则 eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(2a-b)) =( )
A. eq \r(5)
B.4
C. eq \r(26)
D.6
[解析] 因为a=(2,1),b=(-1,1),所以2a-b=(5,1),
所以 eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(2a-b)) = eq \r(52+12) = eq \r(26) ,故选C.
[答案] C
(2)已知向量a=(1,m),b=(-1,0),且 eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(a-b)) =a·b+6,则 eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(a)) =( )
A. eq \r(5)
B.2 eq \r(3)
C. eq \r(22)
D.2 eq \r(6)
[解析] 因为向量a=(1,m),b=(-1,0),
所以a-b=(2,m),a·b=-1,
又 eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(a-b)) =a·b+6,所以 eq \r(22+m2) =5,解得m2=21,
所以 eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(a)) = eq \r(12+m2) = eq \r(22) ,故选C.
[答案] C
求向量的模的两种基本策略
(1)字母表示下的运算:利用|a|2=a2,将向量的模的运算转化为向量与向量的数量积的问题.
(2)坐标表示下的运算:若a=(x,y),则|a|= eq \r(x2+y2) .
角度2 向量的夹角与垂直问题
(1)(2024·全国甲卷)已知向量a=(x+1,x),b=(x,2),则( )
A.“x=-3”是“a⊥b”的必要条件
B. “x=-3”是“a∥b”的必要条件
C.“x=0”是“a⊥b”的充分条件
D. “x=-1+ eq \r(3) ”是“a∥b”的充分条件
[解析] 对于 A,当a⊥b时,则a·b=0,
所以x·(x+1)+2x=0,解得x=0或-3,即必要性不成立,故A错误;
对于C,当x=0时,a=(1,0),b=(0,2),故a·b=0,所以a⊥b,即充分性成立,故C正确;
对于B,当a∥b时,则2(x+1)=x2,解得x=1± eq \r(3) ,即必要性不成立,故B错误;
对于D,当x=-1+ eq \r(3) 时,不满足2(x+1)=x2,所以a∥b不成立,即充分性不成立,故D错误.
[答案] C
(2)(2024·湖北黄冈高一期中)已知A(3,-2),B(-1,-5),C(1,2),则cos ∠BAC=( )
A. eq \f(2\r(5),25)
B.- eq \f(2\r(5),25)
C. eq \f(\r(5),25)
D.- eq \f(\r(5),25)
[解析] A(3,-2),B(-1,-5),C(1,2),
则 eq \o(AB,\s\up16(→)) =(-4,-3), eq \o(AC,\s\up16(→)) =(-2,4),
cos ∠BAC= eq \f(\o(AB,\s\up16(→))·\o(AC,\s\up16(→)),\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(AB,\s\up16(→))))·\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\o(AC,\s\up16(→))))) = eq \f(8-12,5×2\r(5)) =- eq \f(2\r(5),25) .
[答案] B
[素养聚焦] 在计算向量的夹角和模长的过程中,提升数学运算核心素养.
解决向量夹角问题的方法及注意事项
(1)求解方法:先利用平面向量的坐标表示出这两个向量的数量积a·b及|a||b|,再由cos 〈a,b〉= eq \f(a·b,|a||b|) =eq \o\al(2,1) eq \f(x1x2+y1y2,\r(x+y eq \o\al(2,1) )·\r(x eq \o\al(2,2) +y eq \o\al(2,2) ))
直接求出cos 〈a,b〉.
(2)注意事项:利用三角函数值cos 〈a,b〉求〈a,b〉的值时,应注意角〈a,b〉的取值范围是0°≤〈a,b〉≤180°.利用cos 〈a,b〉= eq \f(a·b,|a||b|) 判断〈a,b〉的值时,要注意cos 〈a,b〉<0时,有两种情况:一是〈a,b〉是钝角,二是〈a,b〉为180°;cos 〈a,b〉>0时,也有两种情况:一是〈a,b〉是锐角,二是〈a,b〉为0°.
[触类旁通]
2.(1)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. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(7,9),\f(7,3)))
B. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(7,3),-\f(7,9)))
C. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(7,3),\f(7,9)))
D. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(7,9),-\f(7,3)))
(2)已知2a-b=(-1, eq \r(3) ),c=(1, eq \r(3) ),且a·c=3,|b|=4,则b与c的夹角为________.
解析 (1)设c=(x,y),则c+a=(x+1,y+2),
又(c+a)∥b,∴2(y+2)+3(x+1)=0.①
又c⊥(a+b),
∴(x,y)·(3,-1)=3x-y=0.②
联立①②解得x=- eq \f(7,9) ,y=- eq \f(7,3) .
(2)(2a-b)·c=2a·c-b·c
=(-1, eq \r(3) )·(1, eq \r(3) )=2.
∵a·c=3,∴b·c=4.
∴cos 〈b,c〉= eq \f(b·c,|b||c|) = eq \f(4,4×2) = eq \f(1,2) .
故〈b,c〉=60°.
答案 (1)D (2)60°
题型三 数量积、坐标表示的综合应用
如图所示,在正方形ABCD中,E,F分别是AB,BC的中点,求证:AF⊥DE.
[证明] 证法一 设 eq \o(AD,\s\up16(→)) =a, eq \o(AB,\s\up16(→)) =b,则|a|=|b|,a·b=0,
又 eq \o(DE,\s\up16(→)) = eq \o(DA,\s\up16(→)) + eq \o(AE,\s\up16(→)) =-a+ eq \f(b,2) , eq \o(AF,\s\up16(→)) = eq \o(AB,\s\up16(→)) + eq \o(BF,\s\up16(→)) =b+ eq \f(a,2) ,
所以 eq \o(AF,\s\up16(→)) · eq \o(DE,\s\up16(→)) =(b+ eq \f(a,2) )·(-a+ eq \f(b,2) )
=- eq \f(1,2) a2- eq \f(3,4) a·b+ eq \f(b2,2)
=- eq \f(1,2) |a|2+ eq \f(1,2) |b|2=0.
故 eq \o(AF,\s\up16(→)) ⊥ eq \o(DE,\s\up16(→)) ,即AF⊥DE.
证法二 如图所示,建立平面直角坐标系,设正方形的边长为2,
则A(0,0),D(0,2),E(1,0),F(2,1),
eq \o(AF,\s\up16(→)) =(2,1), eq \o(DE,\s\up16(→)) =(1,-2).
因为 eq \o(AF,\s\up16(→)) · eq \o(DE,\s\up16(→)) =(2,1)·(1,-2)=2-2=0,
所以 eq \o(AF,\s\up16(→)) ⊥ eq \o(DE,\s\up16(→)) ,即AF⊥DE.
向量法解决平面几何问题的两种方法
用向量法解决平面几何问题,一般来说有两种方法:
(1)基底法:选取适当的基底(尽量用已知模或夹角的向量作为基底),将题中涉及的向量用基底表示,利用向量的运算法则、运算律或性质计算.
(2)坐标法:建立平面直角坐标系,实现向量的坐标化,将几何问题中的长度、垂直、平行等问题转化为代数运算.
一般地,存在坐标系或易建坐标系的题目适合用坐标法.
[触类旁通]
3.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| eq \o(PA,\s\up16(→)) +3 eq \o(PB,\s\up16(→)) |的最小值为________.
解析 建立平面直角坐标系如图所示.设P(0,y),C(0,b),则B(1,b),A(2,0),则 eq \o(PA,\s\up16(→)) +3 eq \o(PB,\s\up16(→)) =(2,-y)+3(1,b-y)=(5,3b-4y).
∴| eq \o(PA,\s\up16(→)) +3 eq \o(PB,\s\up16(→)) |2=25+(3b-4y)2(0≤y≤b),
当y= eq \f(3,4) b时,| eq \o(PA,\s\up16(→)) +3 eq \o(PB,\s\up16(→)) |最小,
| eq \o(PA,\s\up16(→)) +3 eq \o(PB,\s\up16(→)) |min=5.
答案 5
[缜密思维提能区] 易错辨析
利用〈a,b〉为钝角推得a·b<0致错
[典例] 设平面向量a=(-2,1),b=(λ,-1)(λ∈R),若a与b的夹角为钝角,则λ的取值范围是( )
A. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,2),2)) ∪(2,+∞)
B.(2,+∞)
C. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,2),+∞))
D. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-\f(1,2)))
[错解] 由a与b的夹角为钝角,得a·b<0,
即-2λ-1<0,解得λ>- eq \f(1,2) .
[错因分析] a·b<0⇔a与b的夹角为钝角或平角.因此上述解法中需要对结论进行检验,把a与b的夹角为平角的情况舍去.
[正解] a·b<0⇒(-2,1)·(λ,-1)<0⇒λ>- eq \f(1,2) .
又设b=ta(t<0),则(λ,-1)=(-2t,t),
所以t=-1,λ=2,即λ=2时,a和b反向,且共线,
所以λ∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,2),2)) ∪(2,+∞).故选A.
[答案] A
[纠错心得]
设a,b均是非零向量
(1)〈a,b〉为锐角是a·b>0的充分不必要条件.
(2)a·b>0⇔ eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2))) ,a·b<0⇔〈a,b〉∈ eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(π,2),π)) .
知识落实
技法强化
(1)向量数量积的坐标表示.
(2)设向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),则a⊥b⇒x1x2+y1y2=0.
(3)cos θ=eq \o\al(2,1) eq \f(x1x2+y1y2,\r(x+y eq \o\al(2,1) )\r(x eq \o\al(2,2) +y eq \o\al(2,2) ))
(θ为非零向量a(x1,y1),b(x2,x2)的夹角).
(4)向量数量积在平面几何中的应用.
(1)本节课应用了化归与转化、数形结合的思想方法.
(2)两向量夹角的余弦公式易记错.
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