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文档介绍
【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.查看更多