内容正文:
重点突破2 平面向量中的最值、范围问题
第六章 单元学习三 平面向量基本定理及坐标表示
学习目标
1.进一步掌握平面向量线性运算和数量积的计算方法.
2.掌握平面向量中最值、范围问题的解决方法,培养数学运 算的核心素养.
题型一 向量线性运算中的最值、范围问题
1
题型二 向量数量积的最值、范围问题
2
题型三 向量模的最值、范围问题
3
课时分层评价
6
题型四 向量夹角的最值、范围问题
4
内容索引
随堂评价
5
题型一 向量线性运算中的最值、范围问题
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如图所示,A,B,C是圆O上的三点,CO的延长线与BA的延长线交于圆O外一点D.若=m+n,则m+n的取值范围是_________.
典例
1
(-1,0)
由点D是圆O外一点,可设=λ(λ>1),则=+λ=λ+(1-λ).又因为C,O,D三点共线,令=-μ(μ>1),则=
--(λ>1,μ>1),所以m=-,n=-,则m+n=--=-∈(-1,0).
规律方法
利用向量的概念及基本运算,将所求问题转化为相应的等式关系,然后利用函数的性质或基本不等式求最值(范围).
对点练1.如图,在直角梯形ABCD中,AB∥CD,∠DAB=90°,AD=AB=4,CD=1,动点P在边BC上,且满足=m+n(m,n均为正实数),则+的最小值为_______.
因为在直角梯形ABCD中,AB∥CD,∠DAB=90°,
AD=AB=4,CD=1,所以=+=-,
所以=m+n=m+n(-)=(m-n)·
+n.由P,B,C三点共线得m-n+n=m+n=
1(m,n>0),所以+=(+)(m+n)=++≥+2=+=(当且仅当3n2=4m2时,取等号),即+.
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题型二 向量数量积的最值、范围问题
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(一题多解)如图,在四边形ABCD中,已知AB=AD=1,BC=DC=,AC=2,点P在边CD上,则·的最小值为
A.
B.
C.
D.
√
典例
2
法一:由AB=AD=1,BC=DC=,AC=2,得
AC2=AB2+BC2,AC2=AD2+DC2,所以AB⊥BC,
AD⊥DC,∠DAC=∠BAC=60°.设DP=x,则0≤
x≤,所以·=(+)·(++)=
·+·+·+·+·+·=1×1×+1+1×x×+x2=x2-x+=+≥,当且仅当x=时,·.故选A.
法二:由AB=AD=1,BC=DC=,AC=2,
得AC2=AB2+BC2,AC2=AD2+DC2,所以AB⊥
BC,AD⊥DC,∠DAC=∠BAC=60°,∠ACB=
∠ACD=30°,连接BD,交AC于点O,则易知BD
⊥AC,建立如图所示的平面直角坐标系xOy,则
A,B,C,D,所以=.
设=λ(0≤λ≤1),则=,所以
P,=,
=,则·=λ+λ2+-λ
-λ+λ2=3λ2-λ+=3+≥,当且仅当λ=时,·.故选A.
法三:由AB=AD=1,BC=DC=,AC=2,得AC2=AB2+BC2,AC2=AD2+DC2,所以AB⊥BC,AD⊥DC,∠DAC=∠BAC=60°,∠ACB=∠ACD=30°,如图所示,分别以DA,DC所在的直线为x轴、y轴建立平面直角坐标系,
所以A(1,0),B.因为点P在边CD上,所以设
P(0,y)(0≤y≤),所以=(-1,y),=
,所以·=(-1)×+y×
=y2-y+=+≥,当且仅当y=时,·.故选A.
规律方法
解决向量数量积的最值、范围问题的方法
1.“数化”:建立适当的坐标系,将平面向量数量积的运算坐标化,运用二次函数、三角函数或基本不等式求解.
2.“形化”:用基底表示向量,根据向量的运算律化简目标,再结合向量数量积的几何意义求解.
√
对点练2.已知边长为2的菱形ABCD中,∠DAB=,点F为线段BD上一动点,点E满足=3,则·的最大值为
A.0 B.
C.3 D.
如图所示,以A为原点建立平面直角坐标系,则
A(0,0),B(2,0),C(3,),D(1,),则
==(1,)=.由题意,设=λ
(0≤λ≤1),则=λ(-1,)=(-λ,λ),则=+=(2,0)+(-λ,λ)=(2-λ,λ),所以·=(2-λ)+·λ=λ+.因为0≤λ≤1,所以当λ=1时,·取得最大值,最大值为3.故选C.
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题型三 向量模的最值、范围问题
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在梯形ABCD中,∥,⊥,||=2,||=2||.若点P在线段BC上,则|+3|的最小值是
A. B.4
C. D.6
√
典例
3
如图所示,以B为原点,为x轴正方向,为y轴正方向建立平面直角坐标系.设||=d,||=p,则B(0,0),A(0,2),C(2d,0),D(d,2),P(p,0)(0≤p≤2d),所以=(2d-p,0),=(d-p,2).所以+3=(5d-4p,6),所以|+3|=≥6(当且仅当5d=4p时等号成立).所以|+3|的最小值是6.故选D.
规律方法
解决向量模的最值、范围问题的方法
1.根据平面向量的绝对值三角不等式,取等号时取到最值.
2.建系,将向量的模用坐标表示,利用函数或不等式的思想求解.
对点练3.A,B,C三点在半径为1的圆O上运动,且AC⊥BC,M是圆O外一点,OM=2,则|++2|的最大值是____.
10
连接AB,如图所示,因为AC⊥BC,则AB为圆O的一条
直径,故O为AB的中点,所以+=(+)+
(+)=2,所以|++2|=|2
+2(+)|=|4+2|≤4||+2||=4×2+2×1=10,当且仅当M,O,C共线且,同向时,等号成立.
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题型四 向量夹角的最值、范围问题
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已知e1,e2是单位向量,且e1,e2的夹角为θ,若|e1+te2|≥(t∈R),则θ的取值范围为
A. B.
C. D.
√
典例
4
因为e1,e2是单位向量,且e1,e2的夹角为θ,所以e1·e2=1×1×cos θ=cos θ.又|e1+te2|≥,所以|e1+te2|2=+2te1·e2+t2=t2+2cos θ·t+1=(t+cos θ)2+sin2θ≥sin2θ≥.又θ∈[0,π],所以sin θ≥,所以θ∈.故选C.
规律方法
解决向量夹角的最值、范围问题的方法
1.将向量夹角的大小问题转化为夹角余弦值的大小问题.
2.利用余弦函数y=cos α以及α∈[0,π]的单调性求出α的取值
范围.
对点练4.平面向量a,b满足|a-b|=3,|a|=2|b|,则a-b与a夹
角的最大值为____.
因为|a-b|=3,|a|=2|b|,所以(a-b)2=a2-2a·b+b2=4b2-2a·b+b2=9,所以a·b=b2-,所以(a-b)·a=a2-a·b=4b2-b2+=b2+,所以cos 〈a-b,a〉===|b|+≥2=,当且仅当|b|=,|a|=2时等号成立.因为0≤〈a-b,a〉≤π,所以0≤〈a-b,a〉≤,所以a-b与a夹角的最大值为.
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随堂评价
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1.已知向量=(1,0),=(0,2),=t,则当||取最小值时,实数t=
A. B.
C. D.1
√
由=t=+t(-),则=(1,0)+t=(1-t,2t),||===,则当t=时,||有最小值.故选A.
2.在Rt△ABC中,B=90°,AC=2AB=2,=λ,=(1-λ),λ∈R,则·的最大值为
A. B.
C.1 D.2
√
由题可知||=1,||=,·=0.则·=(+)·(+)=(++λ)·=[(1-λ)-]·[+(1-λ)-(1-λ)]=[(1-λ)-]·[λ+(1-λ)]=-λ2+4λ-3=-(λ-2)2+1≤1.则·的最大值为1.故选C.
3.已知向量a,b满足a=(t,2-t),|b|=1,且(a-b)⊥b,则a,b夹角θ的最小值为
A. B.
C. D.
√
因为(a-b)⊥b,所以(a-b)·b=0,a·b=b2,cos θ=====.又因为2t2-4t+8=2(t-)2+4≥4,所以0<cos θ≤,所以θ的最小值为.故选C.
4.已知|a+b|=2,向量a,b的夹角为,则|a|+|b|的最大值为
_____.
将|a+b|=2平方转化得(|a|+|b|)2-|a||b|=4.由基本不等式得|a||b|≤()2=,故(|a|+
|b|)2≤4,即(|a|+|b|)2≤,即|a|+|b|≤,当且仅当|a|=|b|=时等号成立,所以|a|+|b|的最大值为.
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课时分层评价
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1.如图,在四边形ABCD中,AB∥CD,AB=3,CD=2,AD=,∠BAD=90°,若P为线段AB上一动点,则·的最大值为
A.2
B.3
C.6
D.7
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以A为原点,AB,AD所在直线分别为x,y轴建立平面直角坐标系(图略),则A(0,0),B(3,0),C(2,),D(0,).设P(x,0),其中0≤x≤3,则=(x-2,-),=(x,-),所以·=x(x-2)+3=x2-2x+3=(x-1)2+2,当x=3时,·有最大值6.故选C.
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2.若单位向量e1,e2的夹角为120°,则当|e1-λe2|(λ∈R)取得最小值时,λ的值为
A.-2 B.-1
C.- D.
√
由题意知e1·e2=cos 120°=-.因为|e1-λe2|2=λ2+λ+1,所以当λ=-时,|e1-λe2|取得最小值.故选C.
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3.设θ为两个非零向量a,b的夹角,已知对任意实数t,|a+tb|的最小值为1,则
A.若θ确定,则|a|唯一确定
B.若θ确定,则|b|唯一确定
C.若|a|确定,则θ唯一确定
D.若|b|确定,则θ唯一确定
√
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如图所示,记=a,=b,=tb,则=a+tb,则当b⊥(a+tb)时,|a+tb|取得最小值1,若θ确定,则|a|唯一确定,|b|不唯一确定;若|a|确定,θ可能有两解(图中=a或=a),若|b|确定,则a不唯一确定,从而θ也不唯一确定.故选A.
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4.已知平面向量a,b满足|a|=2,a与a-b的夹角为120°,记m=ta+(1-t)b(t∈R),则|m|的取值范围为
A.[,+∞) B.[,+∞)
C.[1,+∞) D.
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设a=,b=,如图所示.则a-b=-=.因为a与a-b的夹角为120°,所以∠OAB=120°,∠OAC=60°,因为m=ta+(1-t)b(t∈R),且t+1-t=1,m,a,b的起点相同,所以其终点共线,即在直线AB上,所以当m⊥时,|m|最小,最小值为,无最大值,所以|m|的取值范围为[,+∞).故选A.
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5.(多选)已知向量a=(-3,2),b=(2,1),c=(λ,-1),λ∈R,μ∈R,则
A.若a∥c,则λ=
B.若(a+2b)⊥c,则λ=4
C.若a=tb+c,则λ+t=-4
D.|a+μb|的最小值为
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对于A,已知a∥c,则(-3)×(-1)=2×λ,解得λ=,故A正确;对于B,a+2b=(1,4),由于(a+2b)⊥c,则1×λ+4×(-1)=0,解得λ=4,故B正确;对于C,由于a=tb+c,则(-3,2)=t(2,1)+(λ,-1)=(2t+λ,t-1),得故λ+t=-6,故C不正确;对于D,a+μb=(-3+2μ,2+μ),|a+μb|===≥=,当μ=时等号成立,即|a+μb|的最小值为,故D正确.故选ABD.
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6.(多选)如图,正方形ABCD的边长为2,动点P在正方形内部及边上运动,=λ+μ,则下列结论正确的有
A.点P在线段BC上时,·为定值
B.点P在线段CD上时,·为定值
C.λ+μ的最大值为2
D.使λ+2μ=的点P轨迹长度为
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以点A为坐标原点,AB,AD所在直线分别为x,y轴
建立如图所示的平面直角坐标系,设点P(x,y)(0≤x
≤2,0≤y≤2),则=(2,0),=(0,2),=
(x,y),·=2x.当点P在线段BC上时,x=2,·
=2x=2×2=4,故A正确;当点P在线段CD上时,x不是定值,·=2x不为定值,故B错误;由=λ+μ,得(x,y)=λ(2,0)+μ(0,2)=(2λ,2μ),则λ=,μ=,所以λ+μ=(x+y),故当x=y=2时,即当点P与点C重合时,λ+μ取得最大值2,故C正确;
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由λ+2μ=,得+y=,直线+y=交x轴于点E(1,0),交y轴于点F(0,),所以使λ+2μ=的点P轨迹为线段EF,且|EF|==,故D错误.故选AC.
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7.已知向量a,b满足|a|=1,(a-b)⊥(3a-b),则a与b的夹角的最大值
为___.
设a与b的夹角为θ,θ∈[0,π].因为(a-b)⊥(3a-b),所以(a-b)·(3a-b)=0,整理可得3a2-4a·b+b2=0,即3|a|2-4a·b+|b|2=0.将
|a|=1代入得3-4|b|cos θ+|b|2=0,整理可得cos θ=+≥2=,当且仅当=,即|b|=时取等号,故cos θ≥,结合θ∈[0,π],可知θ的最大值为.
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8.(双空题)已知正方形ABCD的边长为1,若点E是AB边上的中点,则·的值为______,若点E是AB边上的动点,则|·|的最大值为____.
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如图分别以AB,AD所在直线为x,y轴建立平面直角坐
标系,则A(0,0),B(1,0),C(1,1),D(0,1),
=(0,-1),=(1,1).若点E是AB边上的中点,则
E,所以=(,-1),所以·=0×+
(-1)×(-1)=1.若点E是AB边上的动点,设E(x,0)(0≤x≤1),所以=(x,-1),所以|·|=|x-1|,由0≤x≤1,可得0≤|·|≤1,所以当x=0时,|·|的最大值为1.
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9.已知菱形ABCD的边长为a(a>0),则||的取值范围是__________.
(0,2a)
如图所示,易知=+,且||=||=a,〈,〉∈(0,π),所以||2=(+)2=a2+a2+2a2cos 〈,〉,易知cos 〈,〉∈(-1,1),所以||2=a2+a2+2a2cos 〈,〉∈(0,4a2),因此||∈(0,2a).
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10.(13分)已知·=0,M是线段BC的中点.
(1)若||=2||,求向量-与向量+的夹角的余弦值;
解:因为·=0,所以⊥,以A为坐标原点,AB所在直线为x轴,AC所在直线为y轴建立平面直角坐标系.
令||=a,则C(0,a),B(2a,0),所以-
=(2a,-a),+=(2a,a).
设向量-+的夹角为θ,
所以cos θ===.
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(2)若O是线段AM上任意一点,且||=2||=2,求·+·的最小值.
解:因为·=0,所以⊥,以A为坐标原点,AB所在直线为x轴,AC所在直线为y轴建立平面直角坐标系.
因为||=2||=2,则C(0,1),B(2,0),
M(1,),设O(x,),x∈,
所以·+·=·(+)=2·=2(-x,-)·(1-x,-)=2(x2-x+-)=(x2-x)=(x-)2-,因为x∈[0,1],所以当x=时,·+·取得最小值-.
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11.如图,延长线段AB到点C,使得=2,D点在线段BC上运动,点O∉直线AB,满足=λ+μ,则λμ的取值范围是
A.
B.
C.
D.[-1,1]
√
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不妨设AB=2BC=2,BD=x,x∈[0,1].由平面向量三点共线可知,=+,所以=-,所以λ=-,μ=,x∈[0,1],则λμ=-=-(x2+2x),所以λμ∈.故选C.
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12.(多选)在边长为2的正方形ABCD中,P,Q在正方形(含边)内,满足=x +y,则下列结论正确的是
A.若点P在BD上,则x+y=1
B.x+y的取值范围为[1,2]
C.若点P在BD上,则·=4
D.若P,Q在线段BD上,且||=2,则·的最小值为1
√
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当点P在BD上时,因为=x+y,所以x+y
=1,故A正确;因为P在边长为2的正方形ABCD(含
边)内,且=x +y,所以x∈[0,1],y∈
[0,1],则x+y∈[0,2],故B错误;当点P在BD
上时,=x +y=x +(1-x),=+,所以·=[x +(1-x)]·(+)=x+(1-x)=4,故C正确;
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若P,Q在线段BD上,且||=2,如图建立平
面直角坐标系,设P(a,2-a),则Q(a+,2-
-a),a∈[0,2-],所以·=(a,2-a)·
(a+,2--a)=a(a+)+(2-a)(2--a)
=2a2-(4-2)a+4-2=2+1,所以当a=时,·有最小值为1,故D正确.故选ACD.
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13.如图,扇形AOB中,点C是上一点,且∠AOB=.若=x+y,则x+y的最大值为______.
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由题意,建立如图所示的坐标系,设扇形半径为2a,由
∠AOB=,可得A(-a,a),B(2a,0).设
C(2acos θ,2asin θ),θ∈.由=x +y ,
可得(2acos θ,2asin θ)=x(-a,a)+y(2a,0),所以则x+y=2sin θ+cos θ=sin (θ+φ),其中tan φ=,所以当sin (θ+φ)=1时,x+y有最大值.
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14.(15分)已知a,b,c为平面向量,|a|=2,|b|=,|c|=1,(a-c)·(b-c)=5.
(1)求a·b的取值范围;
解:因为(a-c)·(b-c)=5,所以a·b-c·(a+b)+c2=5.
因为|c|=1,所以a·b-c·(a+b)=4.
设c与a+b的夹角为θ,θ∈[0,π],由上式可得a·b-|c|·|a+b|·cos θ=4.
又|a+b|===,所以cos θ=.
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令m=a·b,a与b的夹角为α,α∈[0,π],所以m=a·b=|a|·|b|cos α=2cos α,所以-2≤m≤2.
因为|cos θ|==≤1,
所以m2-10m+9≤0,解得1≤m≤9.
综上可得1≤m≤2,即1≤a·b≤2.
所以a·b的取值范围为[1,2].
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(2)设a+b与a-b的夹角为β,求cos β的最小值.
解:因为cos β=
==,
所以由(1)可知,当a·b=1时,cos β的值最小,代入,得cos β==,所以cos β的最小值为.
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15.(5分)(多选)设e1,e2均为单位向量,对任意的实数t有恒成立,则
A.e1与e2的夹角为
B.=
C.|e2-te1|的最小值为
D.|e2+t(e1-e2)|的最小值为
√
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对于A,设e1,e2的夹角为θ,≤|e1+te2|,两边平方可得+cos θ≤t2+2tcos θ+1,即t2+2cos θ×t--cos θ≥0对任意的t恒成立,故可得Δ=4cos2θ+4cos θ+1≤0,即(2cos θ+1)2≤0,则cos θ=-.又θ∈[0,π],故θ=π,故A错误;对于B,==,故B正确;
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对于C,|e2-te1|===≥,当且仅当t=-时取等号,故C错误;对于D,|e2+t(e1-e2)|==,令y=3t2-3t+1,当且仅当t=时,y取得最小值,故|e2+t(e1-e2)|的最小值为,故D正确.故选BD.
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16.(17分)如图所示,圆O是边长为4的正方形ABCD的内切圆,S为圆周上一点,过S作AB,AD的垂线,垂足分别为M,N.设p=·,q=·.
(1)求pq的取值范围;
解:如图所示,以O为原点,平行于BA的直线为x轴,平行于DA的直线为y轴建立平面直角坐标系.
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设点S(2cos α,2sin α),由题可知A(2,2),B(-2,2),M(2cos α,2),N(2,2sin α),
p=4cos α+4,q=-4+4sin α,
所以pq=16(cos α+1)(sin α-1)
=16(cos αsin α+sin α-cos α-1).
令sin α-cos α=t∈,
则cos αsin α=,pq=-8(t-1)2,
所以当t=-时,pq有最小值为-8(3+2)=-24-16,
当t=1时,pq有最大值0,
所以pq的取值范围是[-24-16,0].
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(2)求的最小值.
解:==,
令sin α+1=m∈(0,2],
原式==m-2+≥2-2=-1,
当且仅当m=时,即sin α=-时等号成立.
所以的最小值为-1.
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第
六
章
平
面
向
量
及
其
应
用
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