文档内容
5.1 平面向量的概念及其线性运算
思维导图
知识点总结
1.向量的有关概念
(1)向量:既有大小又有方向的量叫作向量,用有向线段表示,此时有向线段的方向就是向量
的方向.向量AB的大小就是向量的长度(或称模),记作 | AB |.
(2)零向量: 长度为 0 的向量,记作0.
(3)单位向量:长度等于 1 个单位 长度的向量.
(4)平行向量(共线向量):方向相同或相反的非零向量.向量a,b平行,记作a∥b.规定:0与任
一向量平行.
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】(5)相等向量:长度相等且方向相同的向量.
(6)相反向量:长度相等且方向相反的向量.
2.向量的线性运算
向量运算 定 义 法则(或几何意义) 运算律
(1)交换律:
a+b= b + a
求两个向量和的 三角形法则
加法
运算
(2)结合律:
(a+b)+c= a + ( b + c )
平行四边形法则
求两个向量差的
减法 a-b=a+(-b)
运算
(1)|λa|= | λ | | a |;
(2)若a≠0,则当λ>0
规定实数 λ 与向 时,λa的方向与a的方 λ(μa)= λμ a ;
数乘
量 a 相 乘 的 运 向相同;当λ<0时,λa
(λ+μ)a= λ a + μ a ;
算,叫作向量的
的方向与a的方向相
数乘,记作λa 反;特别地,当λ=0 λ(a+b)= λ a + λ b
时,0a=0;当a=0
时,λ0=0
3.共线向量定理
设a为非零向量,如果有一个实数 λ,使 b = λ a ,那么b与a是共线向量;反之,如果 b与a
是共线向量,那么有且只有一个实数λ,使b=λa.
[常用结论]
1.中点公式的向量形式:若P为线段AB的中点,O为平面内任一点,则OP=(OA+OB).
2.OA=λOB+μOC(λ,μ为实数),若点A,B,C共线(O不在直线BC上),则λ+μ=1.
3.解决向量的概念问题要注意两点:一是不仅要考虑向量的大小,更重要的是考虑向量的方
向;二是要特别注意零向量的特殊性,考虑零向量是否也满足条件.
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】典型例题分析
考向一 平面向量的有关概念
例1. 设a,b都是非零向量,下列四个条件中,使=成立的充分条件是( )
A.a=-b B.a∥b
C.a=2b D.a∥b且|a|=|b|
答案 C
解析 因为向量的方向与向量a方向相同,向量的方向与向量b方向相同,且=,
所以向量a与向量b方向相同,故可排除选项A,B,D.
当a=2b时,==,
故a=2b是=成立的充分条件.
感悟提升 平行向量有关概念的四个关注点
(1)相等向量具有传递性,非零向量的平行也具有传递性.
(2)共线向量即为平行向量,它们均与起点无关.
(3)向量可以平移,平移后的向量与原向量是相等向量,解题时,不要把它与函数图象的平移
混淆.
考向二 向量的线性运算
角度1 平面向量加、减运算的几何意义
例2 (2023·芜湖调研)如图,等腰梯形ABCD中,AB=BC=CD=3AD,点E为线段CD上靠
近C的三等分点,点F为线段BC的中点,则FE=( )
A.-AB+AC B.-AB+AC
C.-AB+AC D.-AB+AC
答案 A
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】解析 由题图,得FE=FC+CE=BC+CD=(AC-AB)+
=AC-AB+AB-AC-AB=-AB+AC.故选A.
角度2 向量的线性运算
例3 在△ABC中,BD=BC,若AB=a,AC=b,则AD等于( )
A.a+b B.a+b
C.a-b D.a-b
答案 A
解析 如图,过点D分别作AC,AB的平行线交AB,AC于点E,F,则四边形AEDF为平行
四边形,
所以AD=AE+AF.
因为BD=BC,
所以AE=AB,AF=AC,
所以AD=AB+AC=a+b.
角度3 利用向量的线性运算求参数
例4 在△ABC中,AB=2,BC=3,∠ABC=30°,AD为BC边上的高.若AD=λAB+μAC,则
λ-μ=________.
答案
解析 如图.
∵AD为BC边上的高,
∴AD⊥BC.
∵AB=2,∠ABC=30°,
∴BD==BC,
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】∴AD=AB+BD=AB+BC=AB+(AC-AB)=AB+AC.
又∵AD=λAB+μAC,
∴λ=,μ=,故λ-μ=.
感悟提升 平面向量线性运算的常见类型及解题策略
(1)向量求和用平行四边形法则或三角形法则;求差用向量减法的几何意义.
(2)求参数问题可以通过向量的运算将向量表示出来,进行比较,求参数的值.
考向三 共线向量定理的应用
例5 (1)(2022·绵阳二诊)已知平面向量a,b不共线,AB=4a+6b,BC=-a+3b,CD=a+
3b,则( )
A.A,B,D三点共线 B.A,B,C三点共线
C.B,C,D三点共线 D.A,C,D三点共线
答案 D
解析 对于A,BD=BC+CD=-a+3b+(a+3b)=6b,与AB不共线,A不正确;
对于B,AB=4a+6b,BC=-a+3b,则AB与BC不共线,B不正确;
对于C,BC=-a+3b,CD=a+3b,则BC与CD不共线,C不正确;
对于D,AC=AB+BC=4a+6b+(-a+3b)=3a+9b=3CD,即AC∥CD,又线段AC与CD
有公共点C,所以A,C,D三点共线,D正确.故选D.
(2)(2023·山西大学附中诊断)如图所示,已知点 G 是△ABC 的重心,过点 G 作直线分别与
AB,AC两边交于M,N两点,设xAB=AM,yAC=AN,则+的值为( )
A.3 B.4
C.5 D.6
答案 A
解析 延长AG交BC于点H(图略),则H为BC的中点,
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】∵G为△ABC的重心,
∴AG=AH=×(AB+AC)=(AB+AC)==AM+AN.
∵M,G,N三点共线,
∴+=1,
即+=3.故选A.
感悟提升 利用共线向量定理解题的策略
(1)a∥b a=λb(b≠0)是判断两个向量共线的主要依据.注意待定系数法和方程思想的运用.
(2)当两
⇔
向量共线且有公共点时,才能得出三点共线,即A,B,C三点共线⇔AB,AC共线.
(3)若a与b不共线且λa=μb,则λ=μ=0.
(4)OA=λOB+μOC(λ,μ为实数),若A,B,C三点共线(O不在直线BC上),则λ+μ=1.
考向四 等和(高)线定理
(1)由三点共线结论推导等和(高)线定理:如图,由三点共线结论可知,若OP=λOA+μOB(λ,
μ∈R),则λ+μ=1,由△OAB与△OA′B′相似,必存在一个常数 k,k∈R,使得OP′=kOP,
则OP′=kOP=kλOA+kμOB,又OP′=xOA+yOB(x,y∈R),∴x+y=k(λ+μ)=k;反之也成立.
(2)平面内一组基底OA,OB及任一向量OP′,OP′=λOA+μOB(λ,μ∈R),若点P′在直线AB上
或在平行于AB的直线上,则λ+μ=k(定值);反之也成立,我们把直线AB以及与直线AB平
行的直线称为等和(高)线.
例 给定两个长度为1的平面向量OA和OB,它们的夹角为120°,如图,点C在以O为圆心的
圆弧AB上运动,若OC=xOA+yOB,其中x,y∈R,则x+y的最大值是________.
答案 2
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】解析 法一 由已知可设OA为x轴的正半轴,O为坐标原点,建立直角坐标系(图略).
其中A(1,0),B,C(cos θ,sin θ),.
则有OC=(cos θ,sin θ)=x(1,0)+y,
即
得x=sin θ+cos θ,y=sin θ,
x+y=sin θ+cos θ+sin θ=sin θ+cos θ=2sin,
其中0≤θ≤,所以(x+y) =2,
max
当且仅当θ=时取得.
法二 如图,
连接AB交OC于点D,
设OD=tOC,
由于OC=xOA+yOB,
所以OD=t(xOA+yOB).
因为D,A,B三点在同一直线上,
所以tx+ty=1,x+y=,
由于|OD|=t|OC|=t,
当OD⊥AB时t取到最小值,
当点D与点A或点B重合时t取到最大值1,
故1≤x+y≤2.故x+y的最大值为2.
法三 (等和线法)连接AB,
过C作直线l∥AB,则直线l为以OA,OB为基底的平面向量基本定理系数的等和线,显然当l
与圆弧相切于C 时,定值最大,
1
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】因为∠AOB=120°,
所以OC1=OA+OB,
所以x+y的最大值为2.
基础题型训练
一、单选题
1.下面给出的关系式中正确的个数是( )
① ;② ;③ ;④ ;⑤
A.1 B.2 C.3 D.4
【答案】B
【解析】向量数乘仍是向量,故①错误;由向量数量积的运算律,有②③正确;应用数量积的运算可证明
、 不成立,故④⑤错误
【详解】①错误,正确的是 ,向量数乘结果还是向量.
②③正确,根据向量数量积运算可判断得出.
④错误, ,故
⑤错误,
综上,正确的个数为2
故选:B
【点睛】本题考查了向量的运算性质、数量积的运算律,判断正误
2.下列结论中,正确的是( )
A.2 020 cm长的有向线段不可能表示单位向量
B.若O是直线l上的一点,单位长度已选定,则l上有且仅有两个点A,B,使得 是单位向量
C.方向为北偏西50°的向量与南偏东50°的向量不可能是平行向量
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】D.一人从A点向东走500米到达B点,则向量 不能表示这个人从A点到B点的位移
【答案】B
【分析】根据单位向量的定义,向量的概念及共线向量的概念,逐项判定,即可求解.
【详解】由一个单位长度取作2020 cm时,2020 cm长的有向线段就表示单位向量,故A错误;
根据单位向量的定义,在直线 上有且仅有两个点使得 为单位长度,所以B正确;
方向为北偏西50°的向量与南偏东50°的向量是平行的,所以两向量为共线向量,故C错误;
根据位移的定义,向量 表示点 到 点的位移,所以D不正确.
故选:B.
3.若 =(1,1), =2,且 ,则 与 的夹角是( )
A. B. C. D.
【答案】B
【分析】由 ,求得 ,再利用平面向量的夹角公式求解.
【详解】解:因为 ,
所以 ,即 ,
解得 ,
所以 ,
因为 ,
所以 ,
故选:B
4.若 是边长为1的等边三角形,G是边BC的中点,M为线段AG上任意一点,则 的取值范
围是( )
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】A. B. C. D.
【答案】C
【分析】根据几何关系结合平面向量的线性运算可得 , ,设
,利用平面向量数量积的运算律即可求解.
【详解】解:因为 为等边三角形, 是边 的中点,故 , ,
又 是线段 上任意一点,故设 ,
因为 ,所以 .
故 ,
又 ,故 .
故选:C.
5.已知向量 , 在正方形网格中的位置如图所示,那么向量 与 的夹角为( )
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】A. B.
C. D.
【答案】D
【分析】根据向量的减法法则画出 ,得到一个等腰直角三角形,求其结果即可.
【详解】如图, , ,则 ,
设最小的小正方形网格长度为1,则 , ,
所以 ,
所以三角形 是等腰直角三角形, ,
向量 与 的夹角为 的补角 .
故选:D.
6.已知空间任一点 和不共线的三点 、 、 ,下列能得到 、 、 、 四点共面的是( )
A. B.
C. D.以上都不对
【答案】B
【分析】先证明出若 且 ,则 、 、 、 四点共面,进而可得出合适
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】的选项.
【详解】设 且 ,
则 , ,
则 ,所以, 、 、 为共面向量,则 、 、 、 四点共面.
对于A选项, , , 、 、 、 四点不共面;
对于B选项, , , 、 、 、 四点共面;
对于C选项, , , 、 、 、 四点不共面.
故选:B.
【点睛】本题考查利用空间向量判断四点共面,考查推理能力,属于中等题.
二、多选题
7.若 是直线l上的一个单位向量,这条直线上的向量 , ,则下列说法正确的是( )
A. B. C. 与 的夹角为 D.
【答案】BC
【分析】根据条件可得 ,进而可判断ABC,然后利用向量数量积的概念可判断D.
【详解】因为 , ,
所以 ,故A错误,B正确,C正确;
所以 ,故D错误.
故选:BC.
8.对于两个向量 和 ,下列命题中错误的是( )
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】A.若 , 满足 ,且 与 同向,则 B.
C. D.
【答案】ACD
【分析】根据向量的运算法则,以及向量的数量积的运算公式,逐项运算,即可求解.
【详解】对于A中,向量是既有大小,又有方向的量,所以向量不能比较大小,所以A不正确;
对于B中,由 ,
又由 ,因为 ,
所以 成立,所以B正确;
对于C中, ,所以C不正确;
对于D中, ,
所以 ,所以D不正确.
故选:ACD.
三、填空题
9.若向量 , 满足 , , ,则 与 的夹角为_________.
【答案】
【分析】由向量夹角公式直接求解即可.
【详解】 ,
夹角为 ,
故答案为: .
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】10.在 中, 、 、 分别是角A、 、 的对边, , , , ,则
___________.
【答案】
【分析】将已知向量等式两边平方,利用向量的数量积的运算法则运算化简,进而再开方求得答案.
【详解】
,
,
故答案为: .
11.在 中, ,且 ,则 的最小值是___________.
【答案】
【分析】计算出 ,利用二次函数的最值问题即可解出答案.
【详解】 ,
当 时, ,
所以 .
故答案为: .
12.已知向量 , , ,满足 , , , ,若 ,则 的最小
值为______.
【答案】 /
【分析】令 ,进而根据向量模的不等式关系得 ,且
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】,再求向量的模,并结合二次函数性质即可得答案.
【详解】设 ,则 ,
所以 ,
,
由二次函数性质可得, ,即:
所以 ,
所以 的最小值为
故答案为: .
四、解答题
13.运用数量积知识证明下列几何命题:
(1)在 中, ,则 ;
(2)在矩形ABCD中,AC=BD.
【答案】(1)证明见解析;
(2)证明见解析.
【解析】(1)
证明:由题得 ,
因为 ,所以 ,
所以 ,
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】所以 .
(2)
证明;因为矩形ABCD,
所以 ,
同理 ,
因为 ,
所以 ,所以AC=BD.
14.如图所示, 中, , 边上的中线 交 于点 ,设 ,
用向量 表示 .
【答案】 , ; , .
【解析】利用平行线以及三角形相似,先找出线段间的关系,再结合图象得到向量间的关系.
【详解】解析因为 ,所以 .
由 ,得 .
又 是 的底边 的中点, ,所以 ,
.
【点睛】本题考查向量的几何表示,三角形相似的性质,向量的加减法,体现了数形结合的数学思想.属
于基础题.
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】15.已知 , 且 与 的夹角为 ,又 , ,
(1)求 在 方向上的投影;
(2)求 .
【答案】(1)1
(2)
【分析】(1)根据 在 方向上的投影为 计算即可得解;
(2)根据向量的线性运算求出 ,再根据向量的模的计算公式结合数量积的运算律即可得出答案.
(1)
解:因为 , 且 与 的夹角为 ,
所以 在 方向上的投影为 ;
(2)
解:因为 , ,
所以 ,
则 ,
即 .
16.平面内给定三个向量 ,且 .
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】(1)求实数k关于n的表达式;
(2)如图,在 中,G为中线OM上一点,且 ,过点G的直线与边OA,OB分别交于点P,
Q( 不与 重合).设向量 ,求 的最小值.
【答案】(1)
(2)
【分析】(1)由向量平行的坐标运算求解即可;
(2)由向量的运算得出 ,再由 三点共线,得出 ,再由基本不等式
求最值.
【详解】(1)因为 ,
所以 ,即 .
(2)由(1)可知, , ,由题意可知
因为 ,所以
又 , ,所以 .
因为 三点共线,所以 .
当且仅当 时,取等号,即 时, 取最小值 .
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】提升题型训练
一、单选题
1.已知 是互相垂直的单位向量,若 ,则 ( )
A. B. C.0 D.2
【答案】A
【分析】利用向量数量积运算求得正确答案.
【详解】
故选:A
2.如图,四边形 中, ,则相等的向量是( )
A. 与 B. 与 C. 与 D. 与
【答案】D
【分析】判断出四边形 为平行四边形,结合平行四边形的性质以及相等向量的定义可得出合适的选
项.
【详解】因为在四边形 中, ,
则四边形 为平行四边形,
故 , , ,
故选:D.
3.下列命题正确的是
A.
B.
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】C.
D.
【答案】C
【详解】试题分析:由题;A. ,错误;向量的模长相等,但方向不同;B.
,错误;向量是有方向的,不能比大小;D. ,错误;向量相等,则模长相等,方向相同.
而共线则方可相反.C. ,正确;符合零向量的定义.
考点:向量的概念.
4.对于非零向量 , ,定义 .若 ,则
( )
A. B. C. D.
【答案】B
【分析】根据定理可得 ,然后利用向量模的计算求出 ,代入即可求解.
【详解】∵ ,∴ .
由 可得 ,
两式相减得 ,∴ .
故选:B.
5.设向量 , 满足 , , ,则 的取值范围是( )
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】A. [ ,+∞) B. [ ,+∞)
C.[ ,6] D.[ ,6]
【答案】B
【分析】由复数的数量积与模的关系将 转化为数量积,再利用数量积的定义化简求最值.
【详解】 = = = = ≥ ,当t=-1时取等号.
故选:B.
6.已知 , ,则 的最大值等于( )
A.4 B. C. D.5
【答案】C
【分析】利用基本不等式得到 ,然后利用平面向量数量积运算求解.
【详解】因为 , ,
所以 ,
当且仅当 ,即 时取等号,
故选:C
【点睛】本题主要考查平面向量的数量积运算以及基本不等式的应用,属于中档题.
二、多选题
7.有如下命题,其中真命题为( )
A.若幂函数 的图象过点 ,则
B.函数 ( 且 )的图象恒过定点
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】C.函数 在 上单调递减
D.已知向量 与 的夹角为 ,且 , ,则 在 方向上的投影向量是 .
【答案】BD
【分析】A 选项,根据幂函数经过的点,求出解析式,即可判断;B选项,根据指数函数恒过定点 即
可得到;C选项,根据二次函数的单调性可以判断;D选项,由投影向量知识可算得.
【详解】对A选项,设幂函数的解析式为 ,因为幂函数的图像经过点 ,即 ,解得
,则 , ,故A选项错误;
对B选项,函数 的图象恒过定点 ,故B选项正确;
对C选项,函数 在 上单调递增,故C选项错误;
对D选项, 在 方向上的投影向量 ,故D选项正确.
故选:BD.
8.下列命题中假命题的是( )
A.向量 与向量 共线,则存在实数 使
B. , 为单位向量,其夹角为θ,若 ,则
C.若 ,则
D.已知 与 是互相垂直的单位向量,若向量 与 的夹角为锐角,则实数k的取值范围是
.
【答案】ACD
【分析】A.根据共线向量定理进行分析判断即可;B.将 左右同时平方,由此求解出 的取值范
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】围,则 范围可求;C.考虑零向量存在的情况;D.根据 ,同时注意排除两向量同向时
的情况.
【详解】A.根据共线向量定理可知,此时 ,故错误;
B.因为 ,所以 ,所以 ,所以 ,
又因为 ,所以 ,故正确;
C.当 中有零向量时,此时 ,因为零向量方向是任意的,所以 不一定满足,故错误;
D.因为向量 与 的夹角为锐角,所以 ,
所以 ,即 ,且 与 不同向,
当向量 与 共线时,设 ,所以 ,所以 ,
显然 时, 与 同向,
综上可知, 的取值范围是 ,故错误;
故选:ACD.
三、填空题
9.下列向量中, 与 一定共线的有_______.(填序号)
① , ;
② ; ;
③ , ;
④ , .
【答案】①②③
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】【解析】根据平面向量共线定理判断即可.
【详解】①中, ;
②中, ;
③中, ;
④中,当 不共线时, .
故答案为:①②③.
【点睛】本题考查平面向量共线定理,属于基础题.
10.已知向量 ,满足 , ,且 ,则 与 的夹角 为______.
【答案】
【分析】根据向量垂直,数量积为零,再由数量积的定义可求.
【详解】 , ,
即 , ,
, , ,
又 , .
故答案为: .
【点睛】本题考查向量的数量积的定义,两个向量垂直的性质,属于基础题.
11.已知向量 与 的夹角是 ,且 ,则向量 与 的夹角是_____.
【答案】
【解析】首先根据 ,求得 ,由此利用夹角公式计算出向量 与 的夹角的余弦值,
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】由此求得向量 与 的夹角.
【详解】由 两边平方并化简得 ,即 ,即
.所以 ,由于 ,所
以 .
故答案为:
【点睛】本小题主要考查向量模、数量积的运算,考查向量夹角公式,考查运算求解能力,属于中档题.
12.已知平行四边形ABCD中,对角线AC,BD相交于点O,已知 ,则 __.
【答案】
【分析】利用向量的三角形法则和共线向量定理即可得出.
【详解】由向量的三角形法则可得:
∴
故答案为
【点睛】熟练掌握向量的三角形法则和共线向量定理是解题的关键.
四、解答题
13.如图,网格小正方形的边长均为1,求 .
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】【答案】 .
【分析】根据向量加法的三角形法则即可得出结果.
【详解】解:如图,作 , , ,则根据向量加法的三角形法则可得 ,
即 .
14.如图,按下列要求作答.
(1)以A为始点,作出 ;
(2)以B为始点,作出 ;
(3)若 为单位向量,求 、 和 .
【答案】(1)作图见解析
(2)作图见解析
(3) , ,
【分析】(1)根据向量加法的平行四边形法则即可作出 ;(2)先将共线向量 计算出结果再作
出 ;(3)根据 利用勾股定理即可计算出各向量的模长.
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】【详解】(1)将 的起点同时平移到A点,利用平行四边形法则作出 ,如下图所示:
(2)先将共线向量 的起点同时平移到B点,计算出 ,再将向量 与之首尾相接,利用三角形法则即
可作出 ,如下图所示:
(3)由 是单位向量可知 ,根据作出的向量利用勾股定理可知,
;
由共线向量的加法运算可知 ;
利用图示的向量和勾股定理可知, .
15.已知 , , .
(1)求向量 与 的夹角 ;
(2)求
【答案】(1) ;(2) .
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】【分析】(1)根据向量的运算性质化简求出 ,利用向量夹角公式求解即可;
(2)根据向量的运算法则先计算 ,即可求解.
【详解】 ,
,
即 .
,
, ;
,
又 ,
;
,
.
16.如图,设Ox,Oy是平面内相交成 角的两条数轴, 、 分别是x轴,y轴正方向同向的单位向量,
若向量 ,则把有序数对 叫做向量 在坐标系xOy中的坐标,假设 .
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】(1)计算 的大小;
(2)是否存在实数n,使得 与向量 垂直,若存在,求出n的值,若不存在请说明理由.
【答案】(1)
(2)存在,
【分析】(1)根据题意结合平面向量的数量积及模长运算求解;
(2)根据题意可得 ,结合垂直关系运算求解.
【详解】(1)由题意可得: ,
故 .
(2)存在,
由(1)可得:
若向量 ,即 ,
∵ 与向量 垂直,
则 ,
解得 .
资料整理【淘宝店铺:向阳百分百】