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专题09平面向量9.2数量积题型归纳讲义-2022届高三数学一轮复习(解析版)_02高考数学_新高考复习资料_2022年新高考资料

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专题09平面向量9.2数量积题型归纳讲义-2022届高三数学一轮复习(解析版)_02高考数学_新高考复习资料_2022年新高考资料
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17 页
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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