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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第八章 向量的数量积与三角恒等变换
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第八章 向量的数量积与三角恒等变换
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目
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课前案·自主学习
01
02
CONTENTS
03
课堂案·互动探究
课后案·学业评价
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第八章 向量的数量积与三角恒等变换
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课前案·自主学习
01
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导学1 向量数量积的坐标表示
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x1x2+y1y2
a·b=x1x2+y1y2=0
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导学2 向量的模长及夹角公式
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课堂案·互动探究
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课后案·学业评价
03
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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.
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
_______________________
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)(2025·广东深圳期中)设a= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,-1)),b= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-3,1)),c= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,-2)),则 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a+2b))·c=( )
A.-2
B.1
C.-6
D.-7
(2)在矩形ABCD中,已知AB=4,AD=2,点P在CD边上,满足 eq \o(AP,\s\up16(→))· eq \o(AB,\s\up16(→))=6,则 eq \o(AP,\s\up16(→))· eq \o(BP,\s\up16(→))=( )
A.- eq \f(1,2)
B.0
C. eq \f(1,4)
D. eq \f(3,2)
解析 (1)因为a=(2,-1),b= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-3,1)),所以a+2b= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-4,1)),又c=(1,-2),所以(a+2b)·c=-4×1+1×(-2)=-6,故选C.
(2)如图建立平面直角坐标系,则A(0,0),B(4,0),C(4,2),D(0,2),设P(x,2)(0≤x≤4),则 eq \o(AP,\s\up16(→))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x,2)), eq \o(AB,\s\up16(→))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4,0)),所以 eq \o(AP,\s\up16(→))· eq \o(AB,\s\up16(→))=4x=6,得x= eq \f(3,2),所以 eq \o(AP,\s\up16(→))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2),2)), eq \o(BP,\s\up16(→))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(5,2),2)),
所以 eq \o(AP,\s\up16(→))· eq \o(BP,\s\up16(→))=- eq \f(15,4)+4= eq \f(1,4).
答案 (1)C (2)C
题型二 向量的夹角(垂直)、模长问题 eq \a\vs4\al(多维探究)
角度1 向量的模的问题
[教材例1提升](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
(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] (1)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.
(2)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] (1)C (2)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
(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] (1)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.
(2)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] (1)C (2)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)(2024·新课标Ⅰ卷)已知向量a=(0,1),b=(2,x),若b⊥(b-4a),则x=( )
A.-2
B.-1
C.1
D.2
(2)已知向量a=(0,1),b=(x,1)且 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(b-2a))⊥b,则向量a与b的夹角为( )
A. eq \f(π,6)
B. eq \f(π,4)
C. eq \f(π,3)
D. eq \f(π,2)
解析 (1)解法一(向量法+坐标法) 因为b⊥(b-4a),所以b·(b-4a)=0,即b2=4a·b.因为a=(0,1),b=(2,x),所以b2=4+x2,a·b=x,得4+x2=4x,所以(x-2)2=0,解得x=2,故选D.
解法二(坐标法) 因为a=(0,1),b=(2,x),所以b-4a=(2,x)-4(0,1)=(2,x)-(0,4)=(2,x-4).因为b⊥(b-4a),所以b·(b-4a)=0,
所以2×2+x(x-4)=0,所以(x-2)2=0,
解得x=2,故选D.
(2)因为a= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,1)),b= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x,1)),
所以b-2a= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x,-1)),
又 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(b-2a))⊥b,所以 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(b-2a))·b=0,则x2-1=0,解得x=±1,则b= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(±1,1)),
所以cos 〈a,b〉= eq \f(a·b,|a|·|b|)= eq \f(1,1×\r(2))= eq \f(\r(2),2),
又〈a,b〉∈ eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,π)),所以〈a,b〉= eq \f(π,4).
答案 (1)D (2)B
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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