【数学】2018届一轮复习人教A版第四章第3讲平面向量的数量积及应用举例学案

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【数学】2018届一轮复习人教A版第四章第3讲平面向量的数量积及应用举例学案

第3讲 平面向量的数量积及应用举例 ‎,         [学生用书P91])‎ ‎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;若θ=180°,则a与b反向;若θ=90°,则a与b垂直.‎ ‎2.平面向量的数量积 定义 设两个非零向量a,b的夹角为θ,则数量|a||b|·cos_θ叫做a与b的数量积,记作a·b 投影 ‎|a|cos_θ叫做向量a在b方向上的投影,|b|cos_θ叫做向量b在a方向上的投影 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|cos_θ的乘积 ‎3.向量数量积的运算律 ‎(1)a·b=b·a;‎ ‎(2)(λa)·b=λ(a·b)=a·(λb);‎ ‎(3)(a+b)·c=a·c+b·c.‎ ‎4.平面向量数量积的有关结论 已知非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),a与b的夹角为θ 结论 几何表示 坐标表示 模 ‎|a|= ‎|a|= 夹角 cos θ= cos θ= a⊥b的充 要条件 a·b=0‎ x1x2+y1y2=0‎ ‎1.辨明三个易误点 ‎(1)①0与实数0的区别:0a=0≠0,a+(-a)=0≠0,a·0=0≠0;②0的方向是任意的,并非没有方向,0与任何向量平行,我们只定义了非零向量的垂直关系.‎ ‎(2)a·b=0不能推出a=0或b=0,因为a·b=0时,有可能a⊥b.‎ ‎(3)a·b=a·c(a≠0)不能推出b=c,即消去律不成立.‎ ‎2.有关向量夹角的两个结论 ‎(1)两个向量a与b的夹角为锐角,则有a·b>0,反之不成立(因为夹角为0时不成立);‎ ‎(2)两个向量a与b的夹角为钝角,则有a·b<0,反之不成立(因为夹角为π时不成立).‎ ‎1. 已知|a|=5,|b|=4,a与b的夹角为120°,则a·b为(  )‎ A.10         B.-10 C.10 D.-10‎ ‎ D [解析] a·b=|a|·|b|cos 120°=5×4×cos 120°=20×=-10.故选D.‎ ‎2. 设a=(5,-7),b=(-6,t),若a·b=-2,则t的值为(  )‎ A.-4 B.4‎ C. D.- ‎ A [解析] 由a·b=-2得,5×(-6)+(-7)t=-2,-7t=28,所以t=-4,故选A.‎ ‎3. 已知|a|=2,|b|=6,a·b=-6,则a与b的夹角θ为(  )‎ A. B. C. D. ‎ D [解析] cos θ===-.‎ 又因为0≤θ≤π,所以θ=,故选D.‎ ‎4. 已知|a|=2,|b|=5,|a+b|=7,则a·b=________.‎ ‎[解析] 因为|a+b|2=(a+b)2=a2+2a·b+b2‎ ‎=22+2a·b+52=29+2a·b.‎ 所以29+2a·b=49,‎ 所以a·b=10.‎ ‎[答案] 10‎ ‎5. 已知|a|=5,|b|=4,a与b的夹角θ=120°,则向量b在向量a方向上的投影为________.‎ ‎[解析] 由数量积的定义知,b在a方向上的投影为|b|cos θ=4×cos 120°=-2.‎ ‎[答案] -2‎ ‎ 平面向量数量积的运算[学生用书P92]‎ ‎[典例引领]‎ ‎ (1)设向量a=(-1,2),b=(m,1),如果向量a+2b与2a-b平行,那么a与b的数量积等于(  )‎ A.-         B.- C. D. ‎(2)在等腰梯形ABCD中,已知AB∥DC,AB=2,BC=1,∠ABC=60°.点E和F分别在线段BC和DC上,且=,=,则·的值为________.‎ ‎【解析】 (1)a+2b=(-1+2m,4),2a-b=(-2-m,3),由题意得3(-1+2m)-4(-2-m)=0,则m=-,所以a·b=-1×+2×1=.‎ ‎(2)法一:取,为一组基底,‎ 则=-=-,‎ =++=-++ ‎=-+,‎ 所以·=· ‎=2-·+2‎ ‎=×4-×2×1×+=.‎ 法二:以AB所在直线为x轴,A为原点建立如图所示的坐标系,‎ 由于AB=2,BC=1,∠ABC=60°,所以CD=1,等腰梯形ABCD的高为,‎ 所以A(0,0),B(2,0),D,C,‎ 所以=,=(1,0),又因为=,=,所以E,F,‎ 因此·=·=×+×=+=.‎ ‎【答案】 (1)D (2) 向量数量积的两种运算方法 ‎(1)当已知向量的模和夹角时,可利用定义法求解,即a·b=|a||b|cos〈a,b〉.‎ ‎(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.‎ 运用两向量的数量积可解决长度、夹角、垂直等问题,解题时应灵活选择相应公式求解.‎ ‎  ‎ ‎[通关练习]‎ ‎1.(2016·高考天津卷)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. ‎ B [解析] 建立如图所示的平面直角坐标系.‎ 则B,C,A,所以=(1,0).‎ 易知DE=AC,∠FEC=∠ACE=60°,则EF=AC=,‎ 所以点F的坐标为,‎ 所以=,‎ 所以·=·(1,0)=.故选B.‎ ‎2.(2017·郑州第二次质量预测)已知点A(-1,1)、B(0,3)、C(3,4),则向量在方向上的投影为________.‎ ‎[解析] 由题意知向量=(1,2),向量=(4,3),设向量与向量的夹角为θ,则cos θ=,又·=1×4+2×3=10,||==,||==5,所以cos θ=,所以向量在向量方向上的投影为||cos θ=2.‎ ‎[答案] 2‎ ‎ 平面向量的夹角与模(高频考点)[学生用书P92]‎ 平面向量的夹角与模的问题是高考中的常考内容,题型多为选择题、填空题,属中档题.‎ 高考对平面向量的夹角与模的考查主要有以下四个命题角度:‎ ‎(1)求两向量的夹角;‎ ‎(2)求向量的模;‎ ‎(3)两向量垂直问题;‎ ‎(4)求参数值或范围.‎ ‎[典例引领]‎ ‎ (1)(2016·高考全国卷丙)已知向量=,=,则∠ABC=(  )‎ A.30°           B.45°‎ C.60° D.120°‎ ‎(2)(2016·高考全国卷甲)已知向量a=(1,m),b=(3,-2),且(a+b)⊥b,则m=(  )‎ A.-8           B.-6‎ C.6 D.8‎ ‎(3)已知e1,e2是平面单位向量,且e1·e2=.若平面向量b满足b·e1=b·e2=1,则|b|=________.‎ ‎【解析】 (1)由两向量的夹角公式,可得cos∠ABC===,则∠ABC=30°.‎ ‎(2)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.‎ ‎(3)因为 e1·e2=,‎ 所以|e1||e2|cos〈e1,e2〉=,所以〈e1,e2〉=60°.‎ 又因为 b·e1=b·e2=1>0,‎ 所以〈b,e1〉=〈b,e2〉=30°.‎ 由b·e1=1,得|b||e1|cos 30°=1,所以|b|==.‎ ‎【答案】 (1)A (2)D (3) ‎(1)利用数量积求解长度的方法 ‎①|a|2=a2=a·a;‎ ‎②|a±b|2=a2±2a·b+b2;‎ ‎③若a=(x,y),则|a|=.‎ ‎(2)求两个非零向量的夹角的注意事项 ‎①向量的数量积不满足结合律;‎ ‎②数量积大于0说明不共线的两个向量的夹角为锐角;数量积等于0说明两个向量的夹角为直角;数量积小于0且两个向量不共线时两个向量的夹角就是钝角.  ‎ ‎[题点通关]‎ ‎ 角度一、三 求两向量的夹角及两向量垂直问题 ‎1.(2017·昆明模拟)若非零向量a,b满足|a|=|b|,且(a-b)⊥(3a+2b),则a与b的夹角为(  )‎ A. B. C. D.π ‎ A [解析] 由(a-b)⊥(3a+2b)得(a-b)·(3a+2b)=0,即3a2-a·b-2b2=0.又因为 |a|=|b|,设〈a,b〉=θ,即3|a|2-|a|·|b|·cos θ-2|b|2=0,所以|b|2-|b|2·cos θ-2|b|2=0.所以cos θ=.‎ 又因为 0≤θ≤π,所以θ=.‎ ‎ 角度二 求向量的模 ‎2.(2017·兰州模拟)设x∈R,向量a=(x,1),b=(1,-2),且a⊥b,则|a+b|=(  )‎ A. B. C.2 D.10‎ ‎ B [解析] 因为a⊥b,所以x-2=0⇒x=2,所以a+b=(3,-1)⇒|a+b|=,故选B.‎ ‎ 角度四 求参数值或范围 ‎3.已知菱形ABCD的边长为2,∠BAD=120°,点E,F分别在边BC,DC上,BC=3BE,DC=λDF.若·=1,则λ的值为________.‎ ‎[解析] 如图,由题意可得·=||·||cos 120°=2×2×=-2,在菱形ABCD中,易知=,=,所以=+=+,=+=+,·=·=+-2=1,解得λ=2.‎ ‎[答案] 2‎ ‎ 向量数量积的综合应用[学生用书P93]‎ ‎[典例引领]‎ ‎ (2017·福州模拟)已知函数f(x)=a·b,其中a=(2cos x,-sin 2x),b=(cos x,1),x∈R.‎ ‎(1)求函数y=f(x)的单调递减区间;‎ ‎(2)在△ABC中,角A,B,C所对的边分别为a,b,c,f(A)=-1,a=,且向量m=(3,sin B)与n=(2,sin C)共线,求边b和c的值.‎ ‎【解】 (1)f(x)=a·b=2cos2x-sin 2x ‎=1+cos 2x-sin 2x ‎=1+2cos,‎ 令2kπ≤2x+≤2kπ+π(k∈Z),‎ 解得kπ-≤x≤kπ+(k∈Z),‎ 所以f(x)的单调递减区间为(k∈Z).‎ ‎(2)因为f(A)=1+2cos=-1,‎ 所以cos=-1.‎ 又<2A+<,‎ 所以2A+=π,即A=.‎ 由a=与余弦定理得a2=b2+c2-2bccos A=(b+c)2-3bc=7.①‎ 因为向量m=(3,sin B)与n=(2,sin C)共线,‎ 所以2sin B=3sin C.‎ 由正弦定理得2b=3c,②‎ 由①②,可得b=3,c=2.‎ 平面向量与三角函数的综合问题 ‎(1)题目条件给出的向量坐标中含有三角函数的形式,运用向量共线或垂直或等式成立等,得到三角函数的关系式,然后求解.‎ ‎(2)给出用三角函数表示的向量坐标,要求的是向量的模或者其他向量的表达形式,解题思路是经过向量的运算,利用三角函数在定义域内的有界性,求得值域等.‎ ‎  ‎ ‎ (2017·广州海珠区摸底考试)在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,向量m=(cos(A-B),sin(A-B)),n=(cos B,-sin B),且m·n=-.‎ ‎(1)求sin A的值;‎ ‎(2)若a=4,b=5,求角B的大小及向量在方向上的投影.‎ ‎[解] (1)由m·n=-,‎ 得cos(A-B)cos B-sin(A-B)sin B=-,‎ 所以cos A=-.‎ 因为0b,所以A>B,则B=,由余弦定理得=52+c2-2×5c×,解得c=1.‎ 故向量在方向上的投影为 ‎||cos B=ccos B=1×=.‎ ‎,         [学生用书P93])‎ ‎——平面向量与不等式的交汇 ‎ (2015·高考福建卷)已知⊥,||=,||=t.若点P是△ABC所在平面内的一点,且=+,则·的最大值等于(  )‎ A.13           B.15‎ C.19 D.21‎ ‎【解析】 以点A为原点,,所在直线分别为x轴、y轴建立平面直角坐标系,如图.‎ 则A(0,0),B,C(0,t),‎ 所以=(1,0),=(0,1),‎ 所以=+=(1,0)+4(0,1)=(1,4),‎ 所以点P的坐标为(1,4),‎ =,=(-1,t-4),‎ 所以·=1--4t+16=-+17≤-4+17=13.当且仅当=4t,‎ 即t=时取“=”,‎ 所以·的最大值为13.‎ ‎【答案】 A ‎ 求平面向量数量积的最值(或取值范围)的常用方法有两种:一是“定义法”,即利用平面向量数量积的定义,把两个向量的数量积转化为关于参数的函数,再利用基本不等式或函数的单调性等求其最值(或取值范围);‎ 二是“坐标法”,即把几何图形放在适当的坐标系中,给有关向量赋予具体的坐标,利用平面向量数量积的坐标表示,结合解析几何的思想方法求其最值(或取值范围).‎ ‎ 已知x,y满足若=(x,1),=(2,y),且·的最大值是最小值的8倍,则实数a的值是(  )‎ A.1 B. C. D. ‎ D [解析] 因为=(x,1),=(2,y),所以·=2x+y,令z=2x+y,依题意,不等式组所表示的可行域如图中阴影部分所示,观察图象可知,当目标函数z=2x+y过点(1,1)时,zmax=2×1+1=3,目标函数z=2x+y过点(a,a)时,zmin=2a+a=3a,所以3=8×3a,解得a=.‎ ‎,          [学生用书P325(独立成册)])‎ ‎1.已知|a|=6,|b|=3,向量a在b方向上的投影是4,则a·b为(  )‎ A.12         B.8‎ C.-8 D.2‎ ‎ A [解析] 因为|a|cos〈a,b〉=4,|b|=3,所以a·b=|a|·|b|·cos〈a,b〉=3×4=12.‎ ‎2.设向量a,b满足|a|=1,|a-b|=,a·(a-b)=0,则|2a+b|=(  )‎ A.2 B.2 C.4 D.4 ‎ B [解析] 由a·(a-b)=0,可得,a·b=a2=1,由|a-b|=,可得(a-b)2=3,即a2-2a·b+b2=3,解得b2=4.故(2a+b)2=4a2+4a·b+b2=12,|2a+b|=2.‎ ‎3.(2017·洛阳质检)已知|a|=1,|b|=6,a·(b-a)=2,则向量a与b的夹角为(  )‎ A. B. C. D. ‎ B [解析] a·(b-a)=a·b-a2=2,所以a·b=3,所以cos〈a,b〉=== ‎,所以〈a,b〉=.‎ ‎4.(2016·高考山东卷)已知非零向量m,n满足4|m|=3|n|,cos〈m,n〉=.若n⊥(tm+n),则实数t的值为(  )‎ A.4           B.-4‎ C. D.- ‎ B [解析] 由n⊥(tm+n)可得n·(tm+n)=0,即tm·n+n2=0,所以t=-=-=‎ ‎-=-3×=-3×=-4.故选B.‎ ‎5.已知△ABC为等边三角形,AB=2,设点P,Q满足=λ,=(1-λ),λ∈R,若·=-,则λ=(  )‎ A. B. C. D. ‎ A [解析] 法一:因为=-=(1-λ)-,=-=λ-,又·=-,||=||=2,〈,〉=60°,·=||·||cos 60°=2,‎ 所以[(1-λ)-]·(λ-)=-,‎ 即λ||2+(λ2-λ-1)·+(1-λ)||2=,‎ 所以4λ+2(λ2-λ-1)+4(1-λ)=,解得λ=.‎ 法二:以点A为坐标原点,AB所在的直线为x轴,过点A且垂直于AB的直线为y轴,建立平面直角坐标系,设A(0,0),B(2,0),C(1,),所以=(2,0),=(1,),‎ 所以P(2λ,0),Q(1-λ,(1-λ)),因为·=-,‎ 所以(-1-λ,(1-λ))·(2λ-1,-)=-,‎ 化简得4λ2-4λ+1=0,所以λ=.‎ ‎6.已知,是非零向量,且满足(-2)⊥,(-2)⊥,则△ABC的形状为(  )‎ A.等腰三角形 B.直角三角形 C.等边三角形 D.等腰直角三角形 ‎ C [解析] 因为(-2)⊥⇒(-2)·=0,即·-2·=0.‎ ‎(-2)⊥⇒(-2)·=0,‎ 即·-2·=0,‎ 所以·=·=2·,‎ 即||=||,而cos A==,‎ 所以∠A=60°,所以△ABC为等边三角形.‎ ‎7.(2017·海口市调研测试)在△ABC中,M是BC的中点,AM=4,点P在AM上,且满足=3,则·(+)的值为________.‎ ‎[解析] 依题意得||=||=3,+=2=-,·(+)=-2=-×32=-6.‎ ‎[答案] -6‎ ‎8.已知a=(λ,2λ),b=(3λ,2),如果a与b的夹角为锐角,则λ的取值范围是________.‎ ‎[解析] a与b的夹角为锐角,则a·b>0且a与b不共线,则解得λ<-或0<λ<或λ>,‎ 所以λ的取值范围是 ∪∪.‎ ‎[答案] ∪∪ ‎9.设e1,e2,e3为单位向量,且e3=e1+ke2(k>0),若以向量e1,e2为邻边的三角形的面积为,则k的值为________.‎ ‎[解析] 设e1,e2的夹角为θ,则由以向量e1,e2为邻边的三角形的面积为,得×1×1×sin θ=,得sin θ=1,所以θ=90°,所以e1·e2=0.从而对e3=e1+ke2两边同时平方得1=+k2,解得k=或-(舍去).‎ ‎[答案] ‎10.如图,菱形ABCD的边长为2,∠BAD=60°,M为DC的中点,若N为菱形内任意一点(含边界),则·的最大值为________.‎ ‎[解析] 由平面向量的数量积的几何意义知,·等于与在方向上的投影之积,所以(·)max=·=·(+)=2+2+·=9.‎ ‎[答案] 9‎ ‎11.在平面直角坐标系xOy中,已知向量m=,n=(sin x,cos x),x∈‎ eq blc(rc)(avs4alco1(0,f(π,2))).‎ ‎(1)若m⊥n,求tan x的值;‎ ‎(2)若m与n的夹角为,求x的值.‎ ‎[解] (1)若m⊥n,则m·n=0.‎ 由向量数量积的坐标公式得sin x-cos x=0,‎ 所以tan x=1.‎ ‎(2)因为 m与n的夹角为,‎ 所以m·n=|m|·|n|cos ,‎ 即sin x-cos x=,‎ 所以sin=.‎ 又因为 x∈,所以x-∈,‎ 所以x-=,即x=.‎ ‎12.(2016·高考江苏卷)如图,在△ABC中,D是BC的中点,E,F是AD上的两个三等分点,·=4,·=-1,则·的值是________.‎ ‎[解析] 由已知得=+=+=-=(-)-(+)=-,‎ =+=+=-=(-)-(+)=-,‎ =+=+=(-)-(+)=-,‎ =+=+=(-)-(+)=-,‎ 因为·=4,所以·=4,‎ 则·=· ‎=·-2-2+· ‎=·-(2+2)‎ ‎=×4-(2+2)=-1,‎ 所以2+2=,‎ 从而·=· ‎=-2-2+· ‎=-(2+2)+· ‎=-×+×4‎ ‎==.‎ ‎[答案] ‎13.已知向量a=(cos α,sin α),b=(cos β,sin β),c=(-1,0).‎ ‎(1)求向量b+c的长度的最大值;‎ ‎(2)设α=,且a⊥(b+c),求cos β的值.‎ ‎[解] (1)法一:b+c=(cos β-1,sin β),‎ 则|b+c|2=(cos β-1)2+sin2β=2(1-cos β).‎ 因为-1≤cos β≤1,‎ 所以0≤|b+c|2≤4,‎ 即0≤|b+c|≤2.‎ 当cos β=-1时,有|b+c|=2,‎ 所以向量b+c的长度的最大值为2.‎ 法二:因为|b|=1,|c|=1,|b+c|≤|b|+|c|=2.‎ 当cos β=-1时,有b+c=(-2,0),‎ 即|b+c|=2,‎ 所以向量b+c的长度的最大值为2.‎ ‎(2)法一:由已知可得b+c=(cos β-1,sin β),a·(b+c)=cos αcos β+sin αsin β-cos α=cos(α-β)-cos α.‎ 因为a⊥(b+c),所以a·(b+c)=0,‎ 即cos(α-β)=cos α.‎ 由α=,得cos=cos,‎ 即β-=2kπ±(k∈Z),‎ 所以β=2kπ+或β=2kπ,k∈Z,‎ 于是cos β=0或cos β=1.‎ 法二:若α=,则a=.‎ 又由b=(cos β,sin β),‎ c=(-1,0)得a·(b+c)=·(cos β-1,sin β)=cos β+sin β-.‎ 因为a⊥(b+c),所以a·(b+c)=0,‎ 即cos β+sin β=1,‎ 所以sin β=1-cos β,‎ 平方后化简得cos β(cos β-1)=0,‎ 解得cos β=0或cos β=1.‎ 经检验cos β=0或cos β=1即为所求.‎ ‎14.已知在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,向量m=(sin A,sin B),n=(cos B,cos A),m·n=sin 2C.‎ ‎(1)求角C的大小;‎ ‎(2)若sin A,sin C,sin B成等差数列,且·(-)=18,求c边的长.‎ ‎[解] (1)m·n=sin A·cos B+sin B·cos A ‎=sin(A+B),‎ 对于△ABC,A+B=π-C,0<C<π,‎ 所以sin(A+B)=sin C,‎ 所以m·n=sin C,又m·n=sin 2C,‎ 所以sin 2C=sin C,cos C=,C=.‎ ‎(2)由sin A,sin C,sin B成等差数列,可得 ‎2sin C=sin A+sin B,由正弦定理得2c=a+b.‎ 因为·(-)=18,所以·=18,‎ 即abcos C=18,ab=36.‎ 由余弦定理得c2=a2+b2-2abcos C=(a+b)2-3ab,‎ 所以c2=4c2-3×36,c2=36,‎ 所以c=6.‎
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