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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)
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C.(a+b) c=a c+b c
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D.若e是单位向量,则|a e|≤|a|+1
⊗ ⊗ ⊗
答案 AD
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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