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专题九 《平面向量》讲义
9.2 数量积
知识梳理 . 数量积
1.向量的夹角
(1)定义:已知两个非零向量a和b,作OA=a,OB=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
设两个非零向量a,b的夹角为θ,则|a||b|
定义
·cos_θ叫做a与b的数量积,记作a·b
|a|cos_θ叫做向量a在b方向上的投影,
投影
|b|cos_θ叫做向量b在a方向上的投影
数量积a·b等于a的长度|a|与b在a的方向上
几何意义
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=(x,y),b=(x,y),a与b的夹角为θ.
1 1 2 2
结论 几何表示 坐标表示
模 |a|= |a|=
夹角 cos θ= cos θ=
a⊥b的充
a·b=0 xx+yy=0
1 2 1 2
要条件
题型一 . 基本公式
1.若非零向量→、→满足 → → 且 → → →,则→与→的夹角为( )
a b |a|=|b| (2a+b)⊥b a b
π π 2π 5π
A. B. C. D.
6 3 3 6
【解答】解:∵非零向量→、→满足 → → ,且 → → →,设→与→的夹角为
a b |a|=|b| (2a+b)⊥b a b
, [0, ],
θ θ∈ π∴(2→ →)•→ 2→•→ → 0,即2→•→ → ,∴2|→|•|→|•cos → ,
a+b b= a b+b2= a b=−b2 a a =−|a|2
θ
1 2π
求得cos =− ,∴ = ,
2 3
θ θ
故选:C.
2.已知非零向量→,→夹角为45°,且|→|=2,|→ →|=2.则|→|等于( )
a b a a−b b
A.2√2 B.2 C.√3 D.√2
【解答】解:非零向量→,→夹角为45°,且|→|=2,|→ →|=2.
a b a a−b
可得→ → → → 4,
a2−2a⋅b+b2=
4﹣2 |→|+|→|2=4
√2
b b
则|→|=2 .
√2
b
故选:A.
9
→ → → → → →
3.已知向量 , 及实数t满足| t |=3.若 • 2,则t的最大值是 .
a b a+ b a b=
8
【解答】解:由于求t的最大值,即t>0,
由|→ t→|=3,→•→ 2,
a+ b a b=
两边平方可得(→ t→)2=9,
a+ b
即为→2+t2→2+2t→•→ 9,
a b a b=
即有→2+t2→2=9﹣4t,
a b
由→2+t2→2≥2t|→|•|→|≥2t→•→ 4t,
a b a b a b=
当且仅当→,→同向时,取得等号.
a b
9
由9﹣4t≥4t,解得t≤ .
8
9
即有t的最大值为 .
89
故答案为: .
8
题型二 . 几何意义——投影
→ → 2π → → → → → → →
1.设向量 e , e 是夹角为 的单位向量,若 a= 3 e , b=e −e ,则向量 b 在 a 方向
1 2 3 1 1 2
的投影为( )
3 1 1
A. B. C.− D.1
2 2 2
→ → 2π
【解答】解:∵向量 , 是夹角为 的单位向量,
e e
1 2 3
→ → → → 2π 1
∴|e |=|e |=1,e ⋅e =1×1×cos =− .
1 2 1 2 3 2
→ → 3,
|a|=|3e |=
1
→ → → → → → → → 1 9
∴a⋅b=3e ⋅(e −e )=3e 2−3e ⋅e =3−3×(− )= .
1 1 2 1 1 2 2 2
9
→ →
∴向量→在→方向的投影为b⋅a 2 3.
b a = =
→ 3 2
|a|
故选:A.
2.如图,在平行四边形 ABCD中,AP⊥BD,垂足为P,且AP=3,则 → → 18
AP⋅AC=
.
【解答】解:设AC与BD交于点O,则AC=2AO
∵AP⊥BD,AP=3,
在Rt△APO中,AOcos∠OAP=AP=3
∴| → |cos∠OAP=2| → |×cos∠OAP=2| → |=6,
AC AO AP
由向量的数量积的定义可知, → → | → || → |cos∠PAO=3×6=18
AP⋅AC= AP AC
故答案为:183.如图,A是半径为5的圆O上的一个定点,单位向量 → 在A点处与圆O相切,点P是
AB
圆O上的一个动点,且点P与点A不重合,则 → • → 的取值范围是 [ ﹣ 5 , 5 ] .
AP AB
【解答】解:如图所示:设∠PAB= ,作OM⊥AP,则∠AOM= ,
AM θ θ
∴sin = ,AM=5sin ,AP=2AM=10sin .
OA
θ θ θ
∴ → → 10sin ×1×cos =5sin2 [﹣5,5],
AP⋅AB=
θ θ θ∈
故答案为:[﹣5,5].
题型三 . 转换基底
1.如图,在△ABC中,AD⊥AB, → 2 → ,| → |=1,则 → • → ( )
BC= √3BD AD AC AD=
√3
A.2√3 B.√3 C. D.﹣2√3
2
【解答】解:在△ABC中,AD⊥AB, → 2 → ,| → |=1,
BC= √3BD AD
则 → • → ( → → )• → → → → → → →
AC AD= AB+BC AD=AB⋅AD+BC⋅AD=BC⋅AD
=0+2 → • → 2 ( → → )• →
√3BD AD= √3 AD−AB AD=2 → 2 → → 2 •1﹣0=2 ,
√3AD2− √3AB⋅AD= √3 √3
故选:A.
2.已知向量 → 与 → 的夹角为 120°,且 → , → ,若 → → → 且
AB AC |AB|=3 |AC|=2 AP=λAB+AC
→ → ,则实数 的值为( )
AP⊥BC
λ
3 7 7 12
A. B. C. D.
7 3 12 7
【解答】解:向量 → 与 → 的夹角为120°,且 → , → ,
AB AC |AB|=3 |AC|=2
可得 → • → 3×2×cos120°=﹣3,
AB AC=
若 → → → 且 → → ,
AP=λAB+AC AP⊥BC
则 → • → ( → → )•( → → ) → 2﹣ → 2+( ﹣1) → • →
AP BC= AB+AC AC−AB =AC AB AB AC
λ λ λ
=4﹣9 ﹣3( ﹣1)=0,
λ 7 λ
解得 = .
12
λ
故选:C.
3.如图,P为△AOB所在平面内一点,向量 → →, → →,且点P在线段AB的垂直平
OA=a OB=b
→ → → → → → 5
分线上,向量 .若| |=3,| |=2,则 的值为 .
OP=c a b c⋅(a−b)
2
【解答】解:设线段AB的垂直平分线为PH,H为垂足,
→ → → → → 1 → →
则OP=OB+BH+HP=OB+ BA+HP
2
→ 1 → 1 → → 1 → 1 → →
=OB+ OA− OB+HP= OA+ OB+HP,
2 2 2 2→ → 1 → 1 → → → →
则 c⋅(a−b)=( OA+ OB+HP)•(
OA−OB
)
2 2
1
=
2
( O → A2−O → B2) +H → P⋅B → A
1 5
= ×(32﹣22)+0= .
2 2
5
故答案为: .
2
题型四 . 数量积运算律求最值
1.向量→ →的夹角为120°, → → , → ,则 → → → 的最大值为
a,b |a|=|b|=1 |c|=2 |a+2b+c|
( )
A.2−√3 B.2 C.2+√3 D.4
【解答】解:|→ 2→ →|≤|→ 2→|+|→|,计算:|→ 2→|2 →2+4→2+4→ → |→|2+4|→|2+4|→|•|
a+ b+c a+ b c a+ b =a b a⋅b= a b a
1
→ |cos =1+4﹣4× =3,
b
2
θ
∴|→ 2→| ,|→ 2→ →|≤|→ 2→|+|→|=2 ,当且仅当||→ 2→|=|→|时取等号.
a+ b
=√3
a+ b+c a+ b c
+√3
a+ b c
故 → → → 的最大值为2 ,
|a+2b+c|
+√3
故选:C.
5
→ → → → → → → →
2.已知向量 , 满足| |=5,| |=1且| 4 |≤√21,则 • 的最小值为 .
a b a b a− b a b
2
【解答】解:∵|→ 4→| ,
≤√21
a− b
∴→ 8→ → 16→ 21,
a2− a⋅b+ b2≤
即25﹣8→ → 16≤21,
a⋅b+
→ → 5
∴a⋅b≥ .
2
5
故答案为: .
23.在梯形 ABCD 中,AB∥CD,AB=BC=2,CD=1,M 是线段 BC 上的动点,若
→ → ,则 → → 的取值范围是 [ 1 , 4 ) .
BD⋅AM=−3 BA⋅BC
→ → → 1 → → →
【解答】解:由已知有:|
AB
|=|
BC
|,CD= BA,
BM=λBC
,(0≤ ≤1),
2
λ
→ → → → → → → 1 → → →
则 BD⋅AM= ( BC+CD ) ⋅(AB+BM )=(BC+
2
BA)( λBC−BA )=﹣3,
→ → 2+8λ 18
所以BA⋅BC= = −8,
2−λ 2−λ
因为0≤ ≤1,∴ → → [1,10],
BA⋅BC
λ ∈
因为 → → → → ,其中 为 → 与 → 的夹角, (0, ),
θ
BA⋅BC=|BA|⋅|BC|⋅cosθ BA BC
θ∈ π
因为cos (﹣1,1),所以 → → 2×2cos =4cos (﹣4,4),
BA⋅BC=
θ∈ θ θ∈
又 → → ,所以 → → .
1⩽BA⋅BC⩽10 BA⋅BC∈[1,4)
故答案为:[1,4).
题型五 . 数量积坐标运算
1.已知向量→ (2,1),→ (1,﹣1),→ (m﹣2,﹣n),其中m,n均为正数,
a= b= c=
且(→ →)∥→,下列说法正确的是( )
a−b c
A.→与→的夹角为钝角
a b
→ → √5
B.向量 在 方向上的投影为
a b
5
C.2m+n=4
D.mn的最大值为2
【解答】解:根据题意,依次分析选项:
对于A,向量→ (2,1),→ (1,﹣1),则→•→ 2﹣1=1>0,则→、→的夹角为锐
a= b= a b= a b
角,A错误;→ →
对于B,向量 → (2,1), → (1,﹣1),则向量a在b方向上的投影为
a⋅b
=
√2
,
a= b=
→ 2
|b|
B错误;
对于C,向量→ (2,1),→ (1,﹣1),则→ → (1,2),若(→ →)∥→,则
a= b= a−b= a−b c
(﹣n)=2(m﹣2),变形可得2m+n=4,C正确;
1 1
对于 D,由 C 的结论,2m+n=4,而 m,n 均为正数,则有 mn= (2m•n)≤ (
2 2
2m+n
)2=2,即mn的最大值为2,D正确;
2
故选:CD.
2.如图,在矩形ABCD中,AB=√2,BC=2,点E为BC的中点,点F在边CD上,若
→ → ,则 → → 的值是 .
AB⋅AF=√2 AE⋅BF √2
【解答】解:∵ → → → ,
AF=AD+DF
→ → → → → → → → → → → | → | ,
AB⋅AF=AB⋅(AD+DF)=AB⋅AD+AB⋅DF=AB⋅DF=√2DF
=√2
∴| → |=1,| → | 1,
=√2−
DF CF
∴ → → ( → → ) ( → → )
AE⋅BF= AB+BE BC+CF
=A
→
B⋅C
→
F+B
→
E⋅B
→
C=−√2(√2−1)+1×2=−
2+√2+2=√2 ,
故答案为:√2
3.已知边长为 2 的菱形 ABCD 中,点 F 为 BD 上一动点,点 E 满足 → 2 → ,
BE= EC
→ → 2 → →
AE⋅BD=−
3
,则
AF⋅EF
的最小值为( )2 4 152 73
A.− B.− C.− D.−
3 3 75 36
→ 2 →
【解答】解:由题意知:BE= BC,
3
设∠DAB= ,
所 以 θ→ → ( → → ) • ( → → ) → → → 2
AE⋅BD= AB+BE AD−AB =AB⋅AD−AB
2 → → 2 → → 8 8 2
+ BC⋅AD− BC⋅AB=4cos ﹣4+ − cos =− ,
3 3 3 3 3
θ θ
1
所以cos = ,
2
θ
又 (0, ),
θ∈ π π
所以θ= ,
3
以AC与BD交点为原点,AC为x轴,BD为y轴建立如图所示的直角坐标系,
2√3 1
所以A(−√3,0),C(√3,0),D(0,1),B(0,﹣1),E( ,− ),
3 3
设F(0,t),
则
A
→
F=
(√3,t),
E
→
F=
(− 2√3 ,t+ 1 ),
3 3
1 1 1 73
所以 → → 2+t(t+ )=t2+ t−2=(t+ )2− ,
AF⋅EF=−
3 3 6 36
1 73
当t=− 时, → → 取最小值− ,
6
AF⋅EF
36
故选:D.
题型六 . 极化恒等式
1.设向量→,→满足|→ →| ,|→ →| ,则→ → ( )
a b a+b
=√10
a−b
=√6
a⋅b=
A.﹣1 B.1 C.4 D.﹣4【解答】解:∵|→
a+
→
b
|
=√10
,∴(→
a+
→
b
)2=10,∴→
a2+
→
b2+
2→
a
•→
b=
10 ①,
∵|→
a−
→
b
|
=√6
,∴(→
a−
→
b
)2=6,∴→
a2+
→
b2−
2→
a
•→
b=
6 ②,
①﹣②得 4→•→ 4,∴→•→ 1.
a b= a b=
故选:B.
2.如图,△ABC是边长为2√3的等边三角形,P是以C为圆心,1为半径的圆上的任意一
点,则 → → 的取值范围是 [ 1 , 13 ] .
AP⋅BP
【解答】解:∵ → → 2 ,∠ACB=60°
|AC|=|BC|= √3
∴ → • → 2 •2 cos60°=6
AC BC= √3 √3
∵ → → → , → → →
AP=AC+CP BP=BC+CP
∴ → → ( → → )( → → ) → • → → ( → → ) → 2
AP⋅BP= AC+CP BC+CP =AC BC+CP AC+BC +CP
∵ → 1
|CP|=
∴ → • → 6 → ( → → )+1=7 → ( → → )
AP BP= +CP AC+BC +CP AC+BC
∵△ABC是边长为2√3的等边三角形,
∴向量 → → 是与AB垂直且方向向上,长度为6的一个向量
AC+BC
由此可得,点P在圆C上运动,当 → 与 → → 共线同向时, → ( → → )取最大
CP AC+BC CP AC+BC
值,且这个最大值为6
当 → 与 → → 共线反向时, → ( → → )取最小值,且这个最小值为﹣6
CP AC+BC CP AC+BC故 → → 的最大值为7+6=13,最小值为7﹣6=1.即 → → 的取值范围是[1,13]
AP⋅BP AP⋅BP
故答案为:[1,13]
3.已知△ABC是边长为4的等边三角形,P为平面ABC内一点,则 → → → 的最
PA⋅(PB+PC)
小值为( )
8
A.﹣3 B.﹣6 C.﹣2 D.−
3
【解答】解:以BC中点为坐标原点,建立如图所示的坐标系,
则A(0,2√3),B(﹣2,0),C(2,0),
设P(x,y),则 → (﹣x,2 y), → (﹣2﹣x,﹣y), → (2﹣x,﹣
PA= √3− PB= PC=
y),
所以则 → → → 的最=﹣x•(﹣2x)+(2 y)•(﹣2y)=2x2﹣4 y+2y2
PA⋅(PB+PC) √3− √3
=2[x2+2(y−√3)2﹣3];
所以当x=0,y=√3 时,
P
→
A⋅(P
→
B+P
→
C)
取得最小值为2×(﹣3)=﹣6,
故选:B.
课后作业 . 数量积
1.已知向量→、→满足 → , → , → → → → ,则→与→夹角为
a b |a|=1 |b|=2 |2a+b|=√3|2a−b| a b
( )
A.45° B.60° C.90° D.120°
【解答】解: → → , → → → → ,
|a|=1,|b|=2 |2a+b|=√3|2a−b|
∴ → → → → ,
(2a+b) 2=3(2a−b) 2∴ → → → → → → → → ,
4a2+4a⋅b+b2=12a2−12a⋅b+3b2
∴ → → → → ,即4 → → ,
4a2−8a⋅b+b2=0 −8a⋅b+4=0
∴→ → ,
a⋅b=1
→ →
∴cos< → a, → b>= a⋅b = 1 ,且 → → ,
→ → 2 0°≤<a,b>≤180°
|a||b|
∴ → → .
<a,b>=60°
故选:B.
2.已知△ABC满足 → → → ,则△ABC的形状为( )
AB2=2BA⋅CA
A.直角三角形 B.等边三角形
C.等腰直角三角形 D.等腰三角形
【解答】解:根据 → 2 → • → 得到:c2=2bccosA,
AB2= BA CA
b c
由正弦定理 = =2R,可得sin2C=2sinBsinCcosA,
sinB sinC
又C为三角形的内角,得到sinC≠0,
可得sinC=2sinBcosA,
又sinC=sin[ ﹣(A+B)]=sin(A+B),
∴sin(A+B)π=sinAcosB+cosAsinB=2sinBcosA,即sinAcosB﹣cosAsinB=0,
∴sin(A﹣B)=0,且A和B都为三角形的内角,
∴A=B,
则△ABC的形状为等腰三角形.
故选:D.
3.已知向量→ →,|→|=1,对任意t R,恒有|→ t→|≥|→ →|,则( )
a≠e e a− e a−e
∈
A.→⊥→ B.→⊥(→ →)
a e a a−e
C.→⊥(→ →) D.(→ →)⊥(→ →)
e a−e a+e a−e【解答】解:已知向量 → →,|→|=1,对任意t R,恒有|→ t→|≥|→ →|
a≠e e a− e a−e
∈
即|→ t→|2≥|→ →|2∴ → → → →
a− e a−e t2−2a⋅et+2a⋅e−1≥0
即
→ → → → → → → → → → → → → →
△=(2a⋅e) 2−4(2a⋅e−1)≤0即(a⋅e−1) 2≤0∴a⋅e−1=0a⋅e−e2=0∴e⋅(a−e)=0
故选:C.
4.如图,在△ABC中,M是BC的中点,AM=3,BC=10,则 → → ( )
AB⋅AC=
A.34 B.28 C.﹣16 D.﹣22
【解答】解:∵ → → → , → → → 且AM=3,BC=10,
AB=AM+MB AC=AM+MC
∴| → |=3,| → |=| → |=5,
AM BM MC
∴ → → 25, → → → → → → → 0,
MB⋅MC=− AM⋅MC+AM⋅MB=AM⋅(MC+MB)=
∴ → → ( → → ) • ( → → )
AB⋅AC= AM+MB AM+MC
→ → → → → → →
=AM2+AM⋅MC+MB⋅AM+MB⋅MC
=9﹣25
=﹣16.
故选:C.
π
5 . 如 图 , 在 △ ABC 中 ,∠BAC= , → → , P 为 CD 上 一 点 , 且 满 足
AD=2DB
3
→ → 1 → → →
AP=mAC+ AB,若AC=3,AB=4,则 的值为( )
2
AP⋅CD13 13 1
A.﹣3 B.− C. D.
12 12 12
→ → → 2 →
【解答】解:∵ AD=2
DB
,∴AD= AB,
3
→ → → → → → → → → → 1 →
∵
CP
∥
CD
,∴ CP=k
CD
,即 AP−AC=k(
AD−AC
),又∵AP=mAC+ AB,
2
{m−1=−k
则(m﹣1) → 1 → k(2 → → ),∴ ,∴k 3,m 1,
AC+ AB= AB−AC 1 2 = =
2 3 = k 4 4
2 3
→ → → → → 1 → 1 → 2 → → 1 → 1 →
则 • •( )=( AC+ AB)•( AB−AC)= AB2− AC2
AP CD=AP AD−AC
4 2 3 3 4
1 → → 16 9 1 π 13
− AB•AC= − − ×4×3cos = ,
3 3 4 3 3 12
故选:C.
6.如图,在矩形ABCD中,AB=√2,BC=2,点E为BC的中点,点F在边CD上,若
→ → ,则 → → 的值是 .
AB⋅AF=√2 AE⋅BF √2
【解答】解:∵ → → → ,
AF=AD+DF
→ → → → → → → → → → → | → | ,
AB⋅AF=AB⋅(AD+DF)=AB⋅AD+AB⋅DF=AB⋅DF=√2DF
=√2
∴| → |=1,| → | 1,
=√2−
DF CF
∴ → → ( → → ) ( → → )
AE⋅BF= AB+BE BC+CF=A
→
B⋅C
→
F+B
→
E⋅B
→
C=−√2(√2−1)+1×2=−
2+√2+2=√2 ,
故答案为:√2
7.已知→ →均为单位向量,且→ → .若 → → → → ,则 → → 的取
a、b a⋅b=0 |c−4a|+|c−3b|=5 |c+a|
值范围是( )
A.[3,√10] B.[3,5] C.[3,4] D.[√10,5]
【解答】解:∵→ →均为单位向量,且→ → .
a、b a⋅b=0
∴设→ → ,再设→ ,
a=(1,0),b=(0,1) c=(x,y)
代入
|
→
c−4
→
a|+|
→
c−3
→
b|=5
,得 √(x−4) 2+ y2+√x2+(y−3) 2=5 .
即(x,y)到A(4,0)和B(0,3)的距离和为5,
∴→的终点轨迹是点(4,0)和(0,3)之间的线段,
c
→ → ,表示M(﹣1,0)到线段AB上点的距离,
|c+a|=√(x+1) 2+ y2
最小值是点(﹣1,0)到直线3x+4y﹣12=0的距离.
→ → |−3−12|
∴|c+a| = =3.
min 5
最大值为|MA|=5.
∴ → → 的取值范围是[3,5].
|c+a|
故选:B.
8.已知在直角三角形ABC中,A为直角,AB=1,BC=2,若AM是BC边上的高,点P
在△ABC内部或边界上运动,则 → → 的取值范围是( )
AM⋅BP
1 3 1 3
A.[﹣1,0] B.[− ,0] C.[− , ] D.[− ,0]
2 4 2 4【解答】解:如图,
由AB=1,BC=2,可得AC=√3,
以AB所在直线为x轴,以AC所在直线为y轴,建立平面直角坐标系,
y √3
则B(1,0),C(0,√3),直线BC方程为x+ =1则直线AM方程为y= x,
√3 3
3 √3
联立,解得:M( , ),
4 4
由图可知,当P在线段BC上时, → • → 有最大值为0,
AM BP
当P在线段AC上时, → • → 有最小值,设P(0,y)(0≤y ),
≤√3
AM BP
→ → 3 √3 3 √3 3
∴
AM
•
BP=
( , )(﹣1,y)=− + y≥− .
4 4 4 4 4
3
→ →
∴ • 的范围是[− ,0].
AM BP
4
故选:D.
9.在平面内,定点A,B,C,D满足| → |=| → |=| → |=2, → • → → • → → •
DA DB DC DA BC=DB AC=DC
49
→ 0,动点P,M满足| → |=1, → → ,则| → |2的最大值为 .
AB= AP PM=MC BM
4
【解答】解:平面内,| → |=| → |=| → |=2, → • → → • → → • → 0,
DA DB DC DA BC=DB AC=DC AB=
∴ → ⊥ → , → ⊥ → , → ⊥ → ,
DA BC DB AC DC AB
可设D(0,0),A(2,0),B(﹣1,√3),C(﹣1,−√3),
∵动点P,M满足| → |=1, → → ,
AP PM=MC
1+cosθ sinθ−√3
可设P(2+cos ,sin ),M( , ),
2 2
θ θ
→ 3+cosθ sinθ−3√3
∴ ( , ),
BM=
2 2π
37+12sin( −θ)
∴ → 3+cosθ 2 sinθ−3√3 2 6 49,
BM2=( ) +( ) = ≤
2 2 4 4
π
当且仅当sin( − )=1时取等号,
6
θ
∴| → |2的最大值为 49 .
BM
4
49
故答案为: .
4