内容正文:
5.2 向量数量积的坐标表示
5.3 利用数量积计算长度与角度
1
1.掌握向量数量积的坐标表示(数学运算).
2.会利用数量积计算向量的模与夹角(数学运算).
课标要求
基础落实
01
典例研析
02
目录
课时作业
03
3
01
PART
基础落实
目 录
通过前面的学习,我们知道,已知a=(x1,y1),b=(x2,y2),
我们可以求出a+b,a-b以及λa(λ≠0)的坐标.
【问题】 那么如何用a与b的坐标来表示a·b呢?
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5
知识点 平面向量数量积、模、夹角的坐标表示
1. 平面向量数量积的坐标表示
已知两个向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),则a·b= .
这就是说,两个向量的数量积等于它们 .
x1x2+y1y2
对应坐标的乘积的和
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2. 平面向量模的坐标表示
(1)设a=(x,y),则|a|2= ,或|a|
= ;
(2)如果表示向量a的有向线段 的起点和终点坐标分别为A(x1,
y1),B(x2,y2),那么a=(x2-x1,y2-y1),|a|=
,这就
是平面直角坐标系中两点间的距离公式.
3. 平面向量垂直的充要条件的坐标表示
设a=(x1,y1),b=(x2,y2),则a⊥b⇔ .
x2+y2
| |=
x1x2+y1y2=0
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4. 平面向量夹角的坐标表示
设a=(x1,y1),b=(x2,y2),a与b的夹角为θ,则 cos θ=
= (|a||b|≠0).
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【想一想】
1. 向量垂直与向量平行的坐标表示有什么区别?
提示:向量垂直与向量平行的条件容易混淆,注意以下特点:
坐标表示 记忆口诀
垂直 a⊥b⇔ x1x2+y1y2=0 对应相乘和为0
平行 a∥b⇔ x1y2-x2y1=0 交叉相乘差为0
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2. 已知向量a=(x,y),你知道与a共线的单位向量的坐标是什么吗?
与a垂直的单位向量的坐标又是什么?
提示:设与a共线的单位向量为a0,则a0=± a=±
=± ,其中正号、负号分别表示与a同向和反向.易
知b=(-y,x)和a=(x,y)垂直,所以与a垂直的单位向量b0的坐
标为± ,其中正、负号表示不同的方向.
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1. 判断正误.(正确的画“√”,错误的画“×”)
(1)若a=(x1,y1),b=(x2,y2),则a⊥b⇔x1y2-x2y1=0.
( × )
(2)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
锐角. ( × )
(3)若A(x1,y1),B(x2,y2),则| |=
. ( √ )
(4)两个非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),满足x1y2-x2y1=
0,则向量a与b的夹角为0°. ( × )
×
×
√
×
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2. 已知 =(2,3), =(3,t),| |=1,则 · =
( )
A. -3 B. -2
C. 2 D. 3
解析: 因为 = - =(1,t-3),所以| |=
=1,解得t=3,所以 =(1,0),所以 · =
2×1+3×0=2,故选C.
√
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3. 已知向量a=(1, ),b=( ,1),则a与b夹角的大小
为 .
解析:由题意得|a|= =2,|b|= =2,a·b=1×
+ ×1=2 .设a与b的夹角为θ,则 cos θ= = .∵θ∈[0,
π],∴θ= .
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02
PART
典例研析
目 录
角度1 数量积的坐标运算
【例1】 已知向量a=(-1,2),b=(3,2).
(1)求a·(a-b);
解:a·(a-b)=a·a-a·b=(-1)2+22-[(-1)×3+2×2]=4.
(2)求(a+b)·(2a-b);
解:因为a+b=(-1,2)+(3,2)=(2,4),
2a-b=2(-1,2)-(3,2)=(-2,4)-(3,2)=(-5,2),
所以(a+b)·(2a-b)=(2,4)·(-5,2)=2×(-5)+4×2=
-2.
题型一|平面向量数量积的坐标运算
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(3)若c=(2,1),求(a·b)·c,a·(b·c).
解:(a·b)·c=[(-1,2)·(3,2)]·(2,1)=(-1×3+
2×2)·(2,1)=(2,1).
a·(b·c)=(-1,2)·[(3,2)·(2,1)]=(-1,2)·(3×2+
2×1)=8(-1,2)=(-8,16).
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角度2 数量积的坐标运算在几何图形中的应用
【例2】 如图所示,在直角梯形ABCD中,AB∥CD,AB⊥AD,AB=
AD=4,CD=8.若 =-7 ,3 = ,则 · =( )
A. 11 B. 10
C. -10 D. -11
√
解析: 如图,建立平面直角坐标系,则A(0,0),
B(4,0),E(1,4),F(5,1),所以 =(5,
1), =(-3,4),所以 · =-15+4=-11.
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通性通法
数量积运算的途径及注意点
(1)进行向量的数量积运算,前提是牢记有关的运算法则和运算性质.解
题时通常有两条途径:一是先将各向量用坐标表示,直接进行数量积运
算;二是先将向量用基表示,再利用数量积的运算律将原式展开,再依据
已知计算;
(2)对于以图形为背景的向量数量积运算题目,只需把握图形的特征,
建立平面直角坐标系,写出相应点的坐标即可求解.
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【跟踪训练】
1. a=(2,1),b=(2,-1),c=(0,1),则(a+b)·c
= ;a·b= .
解析:∵a=(2,1),b=(2,-1),c=(0,1),∴a+b=(4,
0),∴(a+b)·c=4×0+0×1=0,∴a·b=2×2+1×(-1)=3.
0
3
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2. 已知正方形ABCD的边长为2,E为CD的中点,点F在AD上, =
2 ,则 · = .
解析:建立平面直角坐标系如图所示,则A(0,2),E(2,1),D
(2,2),B(0,0),C(2,0),因为 =2 ,所以F .所
以 =(2,1), = -(2,0)= ,所以 · =
(2,1)· =2× +1×2= .
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题型二|与平面向量模有关的问题
【例3】 (2024·新高考Ⅱ卷3题)已知向量a,b满足|a|=1,|a+
2b|=2,且(b-2a)⊥b,则|b|=( )
A. B.
C. D. 1
解析: 因为(b-2a)⊥b,所以(b-2a)·b=0,即b2=2a·b,又
因为|a|=1,|a+2b|=2,所以1+4a·b+4b2=1+6b2=4,从
而|b|= .故选B.
√
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通性通法
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=a·a,将向量模的运算转化为向
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·a=|a|2=x2+y2,
于是有|a|= .
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【跟踪训练】
在▱ABCD中,已知 =(-4,2), =(2,-6),那么|2
+ |=( )
A. 5 B. 2
C. 2 D.
解析: 设 =a, =b,则a+b= =(-4,2).b-a=
=(2,-6),所以b=(-1,-2),a=(-3,4),所以2 +
=2a+b=(-7,6),所以|2 + |= = .
√
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题型三|向量的夹角与垂直问题
【例4】 已知向量a=(2,-1),b=(m,3),若(a+b)⊥a,
则a,b的夹角为( )
A. B.
C. D.
√
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解析: 因为a=(2,-1),b=(m,3),所以a+b=(2+m,
2).因为(a+b)⊥a,所以(a+b)·a=4+2m-2=0,所以m=-
1.因为 cos <a,b>= = =- ,所以向量a,b的夹角
为 .
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通性通法
解决向量夹角问题的方法及注意事项
(1)先利用平面向量的坐标表示求出这两个向量的数量积a·b以及|
a||b|,再由 cos θ=求出 cos θ,也可由坐标表示 cos θ=
直接求出 cos θ.由三角函数值 cos θ求角θ时,应注意角
θ的取值范围是[0,π];
(2)由于0≤θ≤π,利用 cos θ=来判断角θ时,要注意 cos θ
<0有两种情况,一是θ为钝角,二是θ=π; cos θ>0也有两种情况,一
是θ为锐角,二是θ=0.
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【跟踪训练】
1. 已知向量a=(3,1),b=(1,0),c=a+kb.若a⊥c,则k
= .
解析:c=(3,1)+(k,0)=(3+k,1),a·c=3(3+k)+1×1
=10+3k=0,得k=- .
2. 已知a=(1,2),b=(-2,-4),|c|= .
(1)求|a+2b|;
-
解:a+2b=(1,2)+2(-2,-4)=(-3,-6),
∴|a+2b|= =3 .
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(2)若(a+b)·c= ,求向量a与c的夹角.
解:∵b=(-2,-4)=-2(1,2)=-2a,
∴a+b=-a,∴(a+b)·c=-a·c= .
设a与c的夹角为θ,
则 cos θ= = =- .
∵0≤θ≤π,∴θ= π,即a与c的夹角为 π.
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1. 已知a=(3,4),b=(-2,-1),则(a-b)·(a+2b)=
( )
A. 5 B. 10
C. 15 D. 20
解析:(a-b)·(a+2b)=(5,5)·(-1,2)=-1×5+2×5=5.
√
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2. 已知平面向量a=(3,1),b=(x,-3),且a⊥b,则x=( )
A. -3 B. -1
C. 1 D. -9
解析:因为a⊥b,所以a·b=3x-3=0,解得x=1.
√
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3. 已知平面向量 =(2,1), =(-3t,3),若 ∥ ,则|
|=( )
A. 2 B. 20
C. D. 2
解析: 因为平面向量 =(2,1), =(-3t,3),且
∥ ,所以2×3-1×(-3t)=0,解得t=-2,所以 =(6,3),
所以 = - =(6-2,3-1)=(4,2),所以| |=
=2 .故选A.
√
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4. 〔多选〕已知a=(3,-1),b=(1,-2),则下列结论正确的有
( )
A. a·b=5
B. a的单位向量是
C. <a,b>=
D. 与b垂直的单位向量是
√
√
√
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解析:已知a=(3,-1),b=(1,-2),则a·b=3×1+(-
1)×(-2)=5,故A正确;因为a=(3,-1),|a|= ,所以
a的单位向量是 ,故B正确;因为 cos <a,b>=
= = ,<a,b>∈[0,π],所以<a,b>= ,故C正确;
设与b垂直的单位向量是(x,y),可得 解得
或 故D错误.故选A、B、C.
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5. 设向量a与b的夹角为θ,且a=(3,3),2b-a=(-1,1),则
cos θ= .
解析:设b=(x,y),则2b-a=(2x,2y)-(3,3)=(2x-3,
2y-3)=(-1,1),所以2x-3=-1,2y-3=1,解得x=1,y=2.
所以b=(1,2).所以 cos θ= = = .
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课时作业
03
PART
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1. 已知向量a=(1,2),b=(4,3),则a·(2a-b)=( )
A. 0 B. 1
C. -1 D. -3
解析:2a-b=(-2,1),则a·(2a-b)=(1,2)·(-2,1)=0.
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2. 已知向量b与向量a=(1,-2)的夹角是180°,且|b|=3 ,则
b=( )
A. (-3,6) B. (3,-6)
C. (6,-3) D. (-6,3)
解析: 由题意,设b=λa=(λ,-2λ)(λ<0),由于|b|=
3 .∴|b|= = =3 ,∴λ=-3,即b=
(-3,6).
√
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3. 若向量a=(1,2),b=(1,-1),则2a+b与a-b的夹角为
( )
A. - B. C. D.
解析: 2a+b=2(1,2)+(1,-1)=(2,4)+(1,-1)=
(3,3),a-b=(1,2)-(1,-1)=(0,3).设夹角为θ,则
cos θ= = = .又因为θ∈[0,π],所以θ= .
√
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4. 已知向量a=(0,-2 ),b=(1, ),则向量a在向量b上的
投影向量的坐标为( )
A. B.
C. D.
解析: 向量a在向量b上的投影向量为 · = · =- b,
其坐标为- (1, )= .故选D.
√
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5. 〔多选〕已知平面向量a=(1,2),b=(-2,1),c=(2,
t),则下列说法正确的是( )
A. 若(a+b)∥c,则t=6
B. 若(a+b)⊥c,则t=
C. 若t=1,则 cos <a,c>=
D. |a+c|<3
√
√
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目 录
解析: a+b=(-1,3),若(a+b)∥c,则-t-6=0,所以t
=-6,故A错误;若(a+b)⊥c,则-2+3t=0,所以t= ,故B正
确;若t=1,则 cos <a,c>= = = ,故C正确;a
+c=(3,t+2),则|a+c|= ≥3,故D错误.故选
B、C.
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6. 〔多选〕已知向量a在向量b上的投影向量为( , ),向量b=
(1, ),则向量a可以为( )
A. (0,2) B. (2,0)
C. (1, ) D. ( ,1)
√
√
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解析: 由向量b=(1, ),得|b|= =2,又向
量a在向量b上的投影向量为 ·b=( , ),所以= ,
所以a·b=2 .对于A,a·b=0×1+2× =2 ,符合题意,A正
确;对于B,a·b=2×1+0× =2,不符合题意,B错误;对于C,a·b
=1×1+ × =4,不符合题意,C错误;对于D,a·b= ×1+
1× =2 ,符合题意,D正确.
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7. 已知向量a与b方向相反,a=(1,- ),|b|=2,则|a-b|
= .
解析:∵a=(1,- ),∴|a|=2,又向量a与b方向相反,且|
b|=2,∴a=-b,∴|a-b|=2|b|=4.
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8. 若向量m=(0,-2),n=( ,1),写出一个与2m+n垂直的
非零向量: .
解析:因为m=(0,-2),n=( ,1),所以2m+n=2(0,-
2)+( ,1)=( ,-3).设a=(x,y)(x≠0且y≠0),若a
与2m+n垂直,则a·(2m+n)=0,即 x-3y=0,令x= ,则y
=1,所以a=( ,1).
( ,1)(答案不唯一,满足 x-3y=0即可)
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9. 已知向量a=(2,1),b=(1-x,x),c=(-3x,3x),且
a∥b,则b,c夹角的余弦值为 .
解析:由a∥b,得2·x-(1-x)=0,解得x= ,则b= ,c=
(-1,1),所以 cos <b,c>= =- .
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10. 已知向量a=(2,k),b=(1,1),满足b⊥(a-3b).
(1)求k的值;
解:a-3b=(2,k)-(3,3)=(-1,k-3),
∵b⊥(a-3b),
∴b·(a-3b)=1×(-1)+1×(k-3)=0,∴k=4.
(2)求向量a与向量b夹角的余弦值.
解:由(1)得a=(2,4),b=(1,1),
∴|a|= =2 ,|b|= = ,
∴ cos <a,b>= = = .
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11. 已知a,b,c均为单位向量,且|a+b|=1,则(a-b)·c的取
值范围是( )
A. [0,1] B. [-1,1]
C. [- , ] D. [0, ]
解析:由a,b为单位向量和|a+b|=1的几何意义,可知|a-b|= ,设a-b与c的夹角为θ,则(a-b)·c=|a-b||c|· cos θ= cos θ,∵ cos θ∈[-1,1],∴(a-b)·c的取值范围为[- , ].
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12. 如图,在矩形ABCD中,AB=2,BC=4,点E为BC的中点,点F在
边CD上,若 · =3,则 · =( )
A. 9 B. 10
C. 11 D. 12
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解析: 如图,建立平面直角坐标系.结合题意知,A(0,
0),B(2,0),E(2,2), =(2,0), =(2,
2),设F(x,4),x∈[0,2],则 =(x,4).因为
· =3,所以2x=3,x= ,所以 =( ,4),所以
· =2× +2×4=11.
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13. 设m=(a,b),n=(c,d),规定两向量m,n之间的一个运
算“ⓧ”为mⓧn=(ac-bd,ad+bc),若已知p=(1,2),pⓧq
=(-4,-3),则q的坐标为 .
解析:设q=(x,y),则pⓧq=(x-2y,y+2x)=(-4,-
3),∴ ∴ ∴q=(-2,1).
(-2,1)
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14. 在平面直角坐标系中,O为原点,A(-2,2),B(3,1).
(1) 在直线AB上的投影向量是 ,求 的坐标;
解:设 = +λ =(3,1)+λ(-5,1)=(3-5λ,1+λ),λ∈R,
由题意得 · =0,所以-5(3-5λ)+1+λ=26λ-14=0,所以
λ= ,所以 =( , ).
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(2)若四边形AOBD是以OB为底的直角梯形,求点D的坐标.
解:四边形AOBD是以OB为底的直角梯形,且 · =-4<0,
即∠AOB不是直角.
所以 ∥ , ⊥ .
设D(x,y),则 =(x+2,y-2), =(x-3,y-1),又
=(3,1),所以 解得
所以点D的坐标为( , ).
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15. 已知向量a=(3,2),b= ,且函数f(x)=(a+
xb)·(xa-b)的图象是一条直线,则|b|=( )
A. B.
C. 2 D. 2
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解析: 由题意,f(x)=(a+xb)·(xa-b)=x|a|2-a·b+
x2a·b-x|b|2=a·bx2+(|a|2-|b|2)x-a·b,因为函数f
(x)的图象是一条直线,所以a·b=0,即3×(-1)+2× =
0,解得m=-2,所以b= ,|b|= = .
故选A.
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数学·必修第二册(BSD)
目 录
16. 已知△OAB的顶点坐标为O(0,0),A(2,9),B(6,-3),
点P的横坐标为14,且 =λ ,点Q是边AB上一点,且 · =0.
(1)求实数λ的值与点P的坐标;
解:设P(14,y),则 =(14,y), =(-8,-3-y),由 =λ ,得(14,y)=λ(-8,-3-y),解得λ=- ,y=-7,
∴点P的坐标为(14,-7).
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数学·必修第二册(BSD)
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(2)求点Q的坐标;
解:设Q(a,b),则 =(a,b),
由(1)得 =(12,-16),∵ · =0,
∴12a-16b=0,即3a-4b=0. ①
∵点Q在边AB上,∴AQ∥AB,
又 =(4,-12), =(a-2,b-9),
∴4(b-9)+12(a-2)=0,即3a+b-15=0. ②
联立①②,解得a=4,b=3,∴Q点坐标为(4,3).
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数学·必修第二册(BSD)
目 录
(3)若R为线段OQ(含端点)上的一个动点,试求 ·( + )的
取值范围.
解:由(2)得 =(4,3),
∵R为线段OQ上的一个动点,∴设 =t =(4t,3t),且
0≤t≤1,
则R(4t,3t), =(-4t,-3t), =(2-4t,9-3t),
=(6-4t,-3-3t),
∴ + =(8-8t,6-6t),
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数学·必修第二册(BSD)
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∴ ·( + )=-4t·(8-8t)-3t·(6-6t)=50t2-50t=50
(t- )2- (0≤t≤1),
当t=0或1时,上式取得最大值0;
当t= 时,上式取得最小值- .
故 ·( + )的取值范围为[- ,0].
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