当前位置:首页>文档>第5章§5.3 平面向量的数量积_02高考数学_新高考复习资料_2023年新高考资料_一轮复习_2023新高考大一轮复习讲义+课件_2023年高考数学一轮复习讲义(新高考)

第5章§5.3 平面向量的数量积_02高考数学_新高考复习资料_2023年新高考资料_一轮复习_2023新高考大一轮复习讲义+课件_2023年高考数学一轮复习讲义(新高考)

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第5章§5.3 平面向量的数量积_02高考数学_新高考复习资料_2023年新高考资料_一轮复习_2023新高考大一轮复习讲义+课件_2023年高考数学一轮复习讲义(新高考)
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§5.3 平面向量的数量积 考试要求 1.理解平面向量数量积的含义及其物理意义.2.了解平面向量的数量积与投影向 量的关系.3.掌握数量积的坐标表达式,会进行平面向量数量积的运算.4.能运用数量积表示两 个向量的夹角,会用数量积判断两个平面向量的垂直关系.5.会用向量的方法解决某些简单的 平面几何问题. 知识梳理 1.向量的夹角 已知两个非零向量 a,b,O 是平面上的任意一点,作OA=a,OB=b,则 ∠ AOB = θ(0≤θ≤π)叫做向量a与b的夹角. 2.平面向量的数量积 已知两个非零向量a与b,它们的夹角为θ,我们把数量|a||b|cos θ叫做向量a与b的数量积, 记作a·b. 3.平面向量数量积的几何意义 设a,b是两个非零向量,它们的夹角是 θ,e与b是方向相同的单位向量,AB=a,CD= b,过AB的起点A和终点B,分别作CD所在直线的垂线,垂足分别为A ,B ,得到A1B1, 1 1 我们称上述变换为向量a向向量b投影,A1B1叫做向量a在向量b上的投影向量.记为|a| cos θ e. 4.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. 5.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 几何表示 坐标表示 数量积 a·b=|a||b|cos θ a·b=xx + yy 1 2 1 2 模 |a|= |a|= 夹角 cos θ= cos θ= a⊥b的充要条件 a·b=0 xx + yy = 0 1 2 1 2a∥b的充要条件 a=λb(λ∈R) xy - xy = 0 1 2 2 1 |a·b|≤|a||b| |a·b|与|a||b|的关系 |xx+yy|≤ 1 2 1 2 (当且仅当a∥b时等号成立) 常用结论 1.平面向量数量积运算的常用公式 (1)(a+b)·(a-b)=a2-b2; (2)(a±b)2=a2±2a·b+b2. 2.有关向量夹角的两个结论 已知向量a,b. (1)若a与b的夹角为锐角,则a·b>0;若a·b>0,则a与b的夹角为锐角或0. (2)若a与b的夹角为钝角,则a·b<0;若a·b<0,则a与b的夹角为钝角或π. 思考辨析 判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”) (1)两个向量的夹角的范围是.( × ) (2)若a·b>0,则a和b的夹角为锐角.( × ) (3)两个向量的数量积是一个实数,向量的加、减、数乘运算的结果是向量.( √ ) (4)(a·b)·c=a·(b·c).( × ) 教材改编题 1.(多选)(2022·海南省临高二中模拟)设a,b,c是任意的非零向量,则下列结论正确的是( ) A.0·a=0 B.a·b=b·c,则a=c C.a·b=0⇒a⊥b D.(a+b)·(a-b)=|a|2-|b|2 答案 CD 2.已知向量a,b的夹角为60°,|a|=2,|b|=1,则|a+2b|=________. 答案 2 3.已知向量 a,b 满足 3|a|=2|b|=6,且(a-2b)⊥(2a+b),则 a,b 夹角的余弦值为 ________. 答案 - 解析 设a,b的夹角为θ, 依题意,(a-2b)·(2a+b)=0, 则2a2-3a·b-2b2=0, 故2×4-3×2×3·cos θ-2×32=0, 则cos θ=-.题型一 平面向量数量积的基本运算 例 1 (1)(2021·北京)a=(2,1),b=(2,-1),c=(0,1),则(a+b)·c=_________;a·b= ________. 答案 0 3 解析 ∵a=(2,1),b=(2,-1),c=(0,1), ∴a+b=(4,0), ∴(a+b)·c=4×0+0×1=0, a·b=2×2+1×(-1)=3. (2)(2022·广州模拟)在平面四边形ABCD中,已知AB=DC,P为CD上一点,CP=3PD,| AB| =4,|AD|=3,AB与AD的夹角为θ,且cos θ=,则AP·PB=________. 答案 -2 解析 如图所示, ∵AB=DC, ∴四边形ABCD为平行四边形, ∵CP=3PD, ∴AP=AD+DP=AB+AD, PB=AB-AP=AB-AD, 又∵|AB|=4,|AD|=3, cos θ=, 则AB·AD=4×3×=8, ∴AP·PB=· =AB·AD-AD2+AB2 =×8-9+×42=-2. 教师备选 1.(2019·全国Ⅱ)已知AB=(2,3),AC=(3,t),|BC|=1,则AB·BC等于( ) A.-3 B.-2 C.2 D.3 答案 C 解析 因为BC=AC-AB=(1,t-3), 所以|BC|==1,解得t=3, 所以BC=(1,0), 所以AB·BC=2×1+3×0=2. 2.在边长为2的正三角形ABC中,M是BC的中点,D是线段AM的中点.①若BD=xBA +yBC,则x+y=________;②BD·BM=________. 答案 1 解析 ①∵M是BC的中点, ∴BM=BC, ∵D是AM的中点, ∴BD=BA+BM=BA+BC, ∴x=,y=,∴x+y=. ②∵△ABC是边长为2的正三角形,M是BC的中点, ∴AM⊥BC,且BM=1, ∴BD·BM=|BD||BM|cos∠DBM=|BM|2=1. 思维升华 计算平面向量数量积的主要方法 (1)利用定义:a·b=|a||b|cos〈a,b〉. (2)利用坐标运算,若a=(x,y),b=(x,y),则a·b=xx+yy. 1 1 2 2 1 2 1 2 (3)灵活运用平面向量数量积的几何意义. 跟踪训练1 (1)(2021·新高考全国Ⅱ)已知向量a+b+c=0,|a|=1,|b|=|c|=2,a·b+b·c+ c·a=________. 答案 - 解析 由已知可得(a+b+c)2 =a2+b2+c2+2(a·b+b·c+c·a) =9+2(a·b+b·c+c·a)=0, 因此a·b+b·c+c·a=-. (2)(2020·北京)已知正方形 ABCD 的边长为 2,点 P 满足AP=(AB+AC),则|PD|= ________;PB·PD=________. 答案 -1 解析 建立如图所示的平面直角坐标系, ∵AP=(AB+AC), ∴P为BC的中点.∴点P的坐标为(2,1),点D的坐标为(0,2),点B的坐标为(2,0), ∴|PD|=,PB=(0,-1),PD=(-2,1), ∴PB·PD=-1. 题型二 平面向量数量积的应用 命题点1 向量的模 例2 已知向量a,b满足|a|=6,|b|=4,且a与b的夹角为60°,则|a+b|=____________,| a-3b|=________. 答案 2 6 解析 因为|a|=6,|b|=4,a与b的夹角为60°, 所以a·b=|a||b|cos〈a,b〉=6×4×=12, (a+b)2=a2+2a·b+b2=36+24+16=76, (a-3b)2=a2-6a·b+9b2=36-72+144 =108, 所以|a+b|=2,|a-3b|=6. 命题点2 向量的夹角 例3 (2020·全国Ⅲ)已知向量a,b满足|a|=5,|b|=6,a·b=-6,则cos〈a,a+b〉等于( ) A.- B.- C. D. 答案 D 解析 ∵|a+b|2=(a+b)2=a2+2a·b+b2 =25-12+36=49, ∴|a+b|=7, ∴cos〈a,a+b〉== ==. 命题点3 向量的垂直 例4 (2021·全国乙卷)已知向量a=(1,3),b=(3,4),若(a-λb)⊥b,则λ=________. 答案 解析 方法一 a-λb=(1-3λ,3-4λ), ∵(a-λb)⊥b,∴(a-λb)·b=0, 即(1-3λ,3-4λ)·(3,4)=0, ∴3-9λ+12-16λ=0,解得λ=. 方法二 由(a-λb)⊥b可知,(a-λb)·b=0,即a·b-λb2=0, 从而λ====. 教师备选 1.已知非零向量a,b满足|a|=2|b|,且(a-b)⊥b,则a与b的夹角为( )A. B. C. D. 答案 B 解析 设a与b的夹角为α, ∵(a-b)⊥b, ∴(a-b)·b=0, ∴a·b=b2, ∴|a|·|b|cos α=|b|2,又|a|=2|b|, ∴cos α=,∵α∈[0,π], ∴α=. 2.已知e,e 是两个单位向量,且|e+e|=,则|e-e|=________. 1 2 1 2 1 2 答案 1 解析 由|e+e|=,两边平方, 1 2 得e+2e·e+e=3.又e,e 是单位向量, 1 2 1 2 所以2e·e=1, 1 2 所以|e-e|2=e-2e·e+e=1, 1 2 1 2 所以|e-e|=1. 1 2 思维升华 (1)求平面向量的模的方法 ①公式法:利用|a|=及(a±b)2=|a|2±2a·b+|b|2,把向量的模的运算转化为数量积运算; ②几何法:利用向量的几何意义,即利用向量线性运算的平行四边形法则或三角形法则作出 所求向量,再利用余弦定理等方法求解. (2)求平面向量的夹角的方法 ①定义法:cos θ=,求解时应求出a·b,|a|,|b|的值或找出这三个量之间的关系; ②坐标法. (3)两个向量垂直的充要条件 a⊥b⇔a·b=0⇔|a-b|=|a+b|(其中a≠0,b≠0). 跟踪训练2 (1)已知单位向量a,b满足a·b=0,若向量c=a+b,则sin〈a,c〉等于( ) A. B. C. D. 答案 B 解析 方法一 设a=(1,0),b=(0,1), 则c=(,), ∴cos〈a,c〉==, ∴sin〈a,c〉=.方法二 a·c=a·(a+b) =a2+a·b=, |c|====3, ∴cos〈a,c〉===, ∴sin〈a,c〉=. (2)(多选)(2021·新高考全国Ⅰ)已知O为坐标原点,点 P(cos α,sin α),P(cos β,-sin 1 2 β),P(cos(α+β),sin(α+β)),A(1,0),则( ) 3 A.|OP1|=|OP2| B.|AP1|=|AP2| C.OA·OP3=OP1·OP2 D.OA·OP1=OP2·OP3 答案 AC 解析 由题意可知, |OP1|==1, |OP2|==1, 所以|OP1|=|OP2|,故A正确; 取α=,则P, 1 取β=, 则P, 2 则|AP1|≠|AP2|,故B错误; 因为OA·OP3=cos(α+β), OP1·OP2=cos αcos β-sin αsin β=cos(α+β), 所以OA·OP3=OP1·OP2,故C正确; 因为OA·OP1=cos α, OP2·OP3=cos βcos(α+β)-sin βsin(α+β) =cos(α+2β), 取α=,β=, 则OA·OP1=,OP2·OP3=cos =-, 所以OA·OP1≠OP2·OP3,故D错误. 题型三 平面向量的实际应用 例5 (多选)(2022·东莞模拟)在日常生活中,我们会看到两个人共提一个行李包的情况(如图 所示).假设行李包所受的重力为G,所受的两个拉力分别为F ,F ,若|F |=|F |,且F 与 1 2 1 2 1 F 的夹角为θ,则以下结论正确的是( ) 2A.|F |的最小值为|G| 1 B.θ的范围为[0,π] C.当θ=时,|F |=|G| 1 D.当θ=时,|F |=|G| 1 答案 ACD 解析 由题意知,F +F +G=0, 1 2 可得F +F =-G,两边同时平方得 1 2 |G|2=|F |2+|F |2+2|F ||F |cos θ 1 2 1 2 =2|F |2+2|F |2cos θ, 1 1 所以|F |2=. 1 当θ=0时,|F | =|G|; 1min 当θ=时,|F |=|G|; 1 当θ=时,|F |=|G|,故A,C,D正确; 1 当θ=π时,竖直方向上没有分力与重力平衡,不成立,所以θ∈[0,π),故B错误. 教师备选 若平面上的三个力F ,F ,F 作用于一点,且处于平衡状态,已知|F |=1 N,|F |= N,F 1 2 3 1 2 1 与F 的夹角为45°,求: 2 (1)F 的大小; 3 (2)F 与F 夹角的大小. 3 1 解 (1)∵三个力平衡, ∴F +F +F =0, 1 2 3 ∴|F |=|F +F |= 3 1 2 = ==1+. (2)方法一 设F 与F 的夹角为θ, 3 1 则|F |=, 2 即=, 解得cos θ=-, ∵θ∈[0,π], ∴θ=. 方法二 设F 与F 的夹角为θ, 3 1由余弦定理得 cos(π-θ)==, ∵θ∈[0,π],∴θ=. 思维升华 用向量方法解决实际问题的步骤 跟踪训练3 (2022·沈阳二中模拟)渭河某处南北两岸平行,如图所示,某艘游船从南岸码头 A出发航行到北岸,假设游船在静水中航行速度的大小为|ν|=10 km/h,水流速度的大小为| 1 ν|=6 km/h.设ν 与ν 的夹角为120°,北岸的点A′在码头A的正北方向,那么该游船航行到 2 1 2 北岸的位置应( ) A.在A′东侧 B.在A′西侧 C.恰好与A′重合 D.无法确定 答案 A 解析 建立如图所示的平面直角坐标系, 由题意可得ν=(-5,5),ν=(6,0), 1 2 所以ν+ν=(1,5), 1 2 说明游船有x轴正方向的速度,即向东的速度,所以该游船航行到北岸的位置应在A′东侧. 极化恒等式:设a,b为两个平面向量,则有恒等式a·b=. 如图所示.(1)在平行四边形ABDC中,AB=a,AC=b,则a·b=(|AD|2-|BC|2). (2)在△ABC中,AB=a,AC=b,AM为中线,则a·b=|AM|2-|BC|2. 例1 在△ABC中,M是BC的中点,AM=3,BC=10,则AB·AC=________. 答案 -16 解析 如图所示,由极化恒等式,易得AB·AC=AM2-MB2=32-52=-16. 例2 已知AB为圆x2+y2=1的一条直径,点P为直线x-y+2=0上任意一点,则PA·PB的 最小值是________. 答案 1 解析 如图所示,由极化恒等式易知,当OP垂直于直线x-y+2=0时,PA·PB有最小值, 即 PA·PB=PO2-OB2=()2-12=1. 例3 已知a,b是平面内两个互相垂直的单位向量,若向量c满足(a-c)·(b-c)=0,则|c|的 最大值是( ) A.1 B.2 C. D. 答案 C 解析 如图所示, 设OA⊥OB, 记OA=a,OB=b,OC=c, M为AB的中点, 由极化恒等式有(a-c)·(b-c)=CA·CB =|CM|2-=0, ∴|CM|2==, 可知MC是有固定起点,固定模长的动向量. 点C的轨迹是以AB为直径的圆,且点O也在此圆上, 所以|c|的最大值为圆的直径长,即为. 课时精练 1.(2020·全国Ⅱ)已知单位向量a,b的夹角为60°,则在下列向量中,与b垂直的是( ) A.a+2b B.2a+b C.a-2b D.2a-b 答案 D 解析 由题意得|a|=|b|=1, 设a,b的夹角为θ=60°, 故a·b=|a||b|cos θ=. 对A项,(a+2b)·b=a·b+2b2 =+2=≠0; 对B项,(2a+b)·b=2a·b+b2 =2×+1=2≠0; 对C项,(a-2b)·b=a·b-2b2 =-2=-≠0; 对D项,(2a-b)·b=2a·b-b2=2×-1=0. 2.(2022·石家庄模拟)已知向量a=(2,-2),b=(2,1),b∥c,a·c=4,则|c|等于( ) A.2 B.4 C.5 D.4 答案 A 解析 因为b∥c, 所以c=λb=(2λ,λ)(λ∈R), 又a·c=4λ-2λ=2λ=4,所以λ=2,c=(4,2),|c|==2. 3.(2022·沈阳模拟)若两个非零向量a,b满足|a+b|=|a-b|=2|a|,则a-b与b的夹角为( ) A. B. C. D. 答案 D 解析 |a+b|=|a-b|=2|a|,等号左右同时平方, 得|a+b|2=|a-b|2=4|a|2,即|a|2+|b|2+2a·b=|a|2+|b|2-2a·b=4|a|2, 所以a·b=0且|b|2=3|a|2, 所以|a-b|= ==|b|, 所以cos〈a-b,b〉= ==-, 因为〈a-b,b〉∈[0,π],所以〈a-b,b〉=. 4.已知a=(-2,1),b=(k,-3),c=(1,2),若(a-2b)⊥c,则与b共线的单位向量为( ) A.或 B.或 C. D. 答案 A 解析 由题意得a-2b=(-2-2k,7), ∵(a-2b)⊥c, ∴(a-2b)·c=0, 即(-2-2k,7)·(1,2)=0,-2-2k+14=0, 解得k=6, ∴b=(6,-3), ∴e=±=±. 5.(多选)(2022·盐城模拟)下列关于向量a,b,c的运算,一定成立的有( ) A.(a+b)·c=a·c+b·c B.(a·b)·c=a·(b·c) C.a·b≤|a|·|b| D.|a-b|≤|a|+|b| 答案 ACD 解析 根据数量积的分配律可知A正确; 选项B中,左边为c的共线向量,右边为a的共线向量,故B不正确; 根据数量积的定义,可知a·b=|a||b|cos〈a,b〉≤|a|·|b|,故C正确;|a-b|2=|a|2+|b|2-2a·b=|a|2+|b|2-2|a||b|·cos〈a,b〉≤|a|2+|b|2+2|a||b|=(|a|+|b|)2, 故|a-b|≤|a|+|b|,故D正确. 6.(多选)已知向量a=(2,1),b=(1,-1),c=(m-2,-n),其中m,n均为正数,且(a- b)∥c,则下列说法正确的是( ) A.a与b的夹角为钝角 B.向量a在b上的投影向量为b C.2m+n=4 D.mn的最大值为2 答案 CD 解析 对于A,向量a=(2,1),b=(1,-1), 则a·b=2-1=1>0, 又a,b不共线, 所以a,b的夹角为锐角,故A错误; 对于B,向量a在b上的投影向量为 ·=b,B错误; 对于C,a-b=(1,2),若(a-b)∥c, 则-n=2(m-2),变形可得2m+n=4,C正确; 对于D,由2m+n=4,且m,n均为正数, 得mn=(2m·n)≤2=2,当且仅当m=1,n=2时,等号成立,即mn的最大值为2,D正确. 7.(2021·全国甲卷)已知向量a=(3,1),b=(1,0),c=a+kb.若a⊥c,则k=________. 答案 - 解析 c=(3,1)+(k,0)=(3+k,1),a·c=3(3+k)+1×1=10+3k=0,得k=-. 8.(2020·全国Ⅰ)设a,b为单位向量,且|a+b|=1,则|a-b|=________. 答案 解析 将|a+b|=1两边平方,得a2+2a·b+b2=1. ∵a2=b2=1, ∴1+2a·b+1=1,即2a·b=-1. ∴|a-b|== ==. 9.(2022·长沙模拟)在△ABC中,BC的中点为D,设向量AB=a,AC=b. (1)用a,b表示向量AD; (2)若向量a,b满足|a|=3,|b|=2,〈a,b〉=60°,求AB·AD的值. 解 (1)AD=(AB+AC) =a+b,所以AD=a+b. (2)AB·AD=a· =a2+a·b =×32+×3×2×cos 60°=6, 所以AB·AD=6. 10.(2022·湛江模拟)已知向量m=(sin x,cos x-1),n=(cos x,cos x+1),若f(x)=m·n. (1)求函数f(x)的单调递增区间; (2)在Rt△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,若∠A=90°,f(C)=0,c=,CD为 ∠BCA的角平分线,E为CD的中点,求BE的长. 解 (1)f(x)=m·n =sin x·cos x+cos2x-1 =sin 2x+cos 2x- =sin-. 令2x+∈(k∈Z), 则x∈(k∈Z). 所以函数f(x)的单调递增区间为 (k∈Z). (2)f(C)=sin-=0, sin=,又C∈, 所以C=. 在△ACD中,CD=, 在△BCE中, BE==. 11.(2022·黄冈质检)圆内接四边形ABCD中,AD=2,CD=4,BD是圆的直径,则AC·BD 等于( ) A.12 B.-12 C.20 D.-20 答案 B 解析 如图所示,由题知∠BAD=∠BCD=90°,AD=2,CD=4,∴AC·BD=(AD+DC)·BD =AD·BD+DC·BD =|AD||BD|cos∠BDA-|DC||BD|cos∠BDC =|AD|2-|DC|2=4-16=-12. 12.在△ABC中,已知·BC=0,且·=,则△ABC为( ) A.等边三角形 B.直角三角形 C.等腰三角形 D.三边均不相等的三角形 答案 A 解析 ,分别为与AB,AC方向相同的单位向量,由平行四边形法则可知向量+所在的直线 为∠BAC的平分线. 因为·BC=0, 所以∠BAC的平分线垂直于BC, 所以AB=AC. 又·=·cos∠BAC =, 所以cos∠BAC=,∠BAC=60°. 所以△ABC为等边三角形. 13.(2022·潍坊模拟)如图所示,一个物体被两根轻质细绳拉住,且处于平衡状态,已知两条 绳上的拉力分别是F ,F ,且F ,F 与水平夹角均为45°,|F |=|F |=10 N,则物体的重力 1 2 1 2 1 2 大小为________ N. 答案 20 解析 如图所示,∵|F |=|F |=10 N, 1 2 ∴|F +F |=10×=20 N, 1 2 ∴物体的重力大小为20 N.14.(2021·天津)在边长为1的等边三角形ABC中,D为线段BC上的动点,DE⊥AB且交AB 于点E,DF∥AB且交AC于点F,则|2BE+DF|的值为________;(DE+DF)·DA的最小值为 ________. 答案 1 解析 设BE=x,x∈, ∵△ABC为边长为1的等边三角形,DE⊥AB, ∴∠BDE=30°,BD=2x,DE=x, DC=1-2x, ∵DF∥AB,∴△DFC为边长为1-2x的等边三角形,DE⊥DF, ∴(2BE+DF)2=4BE2+4BE·DF+DF2=4x2+4x(1-2x)×cos 0°+(1-2x)2=1, ∴|2BE+DF|=1, ∵(DE+DF)·DA=(DE+DF)·(DE+EA)=DE2+DF·EA=(x)2+(1-2x)×(1-x)=5x2-3x+1 =52+, ∴当x=时,(DE+DF)·DA的最小值为. 15.(多选)定义一种向量运算“⊗”:a b=(a,b是任意的两个向量).对于同一平面内的 向量a,b,c,e,给出下列结论,正确的是( ) ⊗ A.a b=b a B.λ(a b)=(λa) b(λ∈R) ⊗ ⊗ C.(a+b) c=a c+b c ⊗ ⊗ D.若e是单位向量,则|a e|≤|a|+1 ⊗ ⊗ ⊗ 答案 AD ⊗ 解析 当a,b共线时,a b=|a-b|=|b-a|=b a,当a,b不共线时,a b=a·b=b·a= b a,故A正确; ⊗ ⊗ ⊗ 当⊗λ=0,b≠0时,λ(a b)=0,(λa) b=|0-b|≠0,故B错误; 当a+b与c共线时,⊗则存在a,b与⊗c不共线,(a+b) c=|a+b-c|,a c+b c=a·c+ b·c,显然|a+b-c|≠a·c+b·c,故C错误; ⊗ ⊗ ⊗当e与a不共线时,|a e|=|a·e|<|a|·|e|<|a|+1,当e与a共线时,设a=ue,u∈R,|a e|=|a -e|=|ue-e|=|u-1|≤ ⊗|u|+1,故D正确. ⊗ 16.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CA·(AB-AC)=18,求c. 解 (1)m·n=sin Acos B+sin Bcos A =sin(A+B), 在△ABC中,A+B=π-C,0