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    (新高考)高考数学一轮复习讲练测 第6章 第3讲 平面向量的数量积及应用举例 (2份打包,原卷版+教师版)
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    (新高考)高考数学一轮复习讲练测 第6章 第3讲 平面向量的数量积及应用举例 (2份打包,原卷版+教师版)

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    第3讲 平面向量的数量积及应用举例


    一、知识梳理
    1.向量的夹角
    (1)定义:已知两个非零向量a和b,作=a,=b,则∠AOB=θ叫做向量a与b的夹角.
    (2)范围:向量夹角θ的范围是0°≤θ≤180°.
    [注意] 当a与b同向时,θ=0°;a与b反向时,θ=180°;a与b垂直时,θ=90°.
    2.平面向量的数量积
    定义
    设两个非零向量a,b的夹角为θ,则数量|a||b|·cos_θ叫做a与b的数量积,记作a·b
    投影
    |a|cos_θ叫做向量a在b方向上的投影,
    |b|cos_θ叫做向量b在a方向上的投影
    几何意义
    数量积a·b等于a的长度|a|与b在a的方向上的投影|b|cos_θ的乘积
    [注意] 投影和两向量的数量积都是数量,不是向量.
    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.平面向量数量积的坐标运算及有关结论
    已知非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),a与b的夹角为θ,a·b=x1x2+y1y2.
    结论
    几何表示
    坐标表示

    |a|=
    |a|=
    夹角
    cos θ=
    cos θ=
    a⊥b的充要条件
    a·b=0
    x1x2+y1y2=0
    常用结论
    (1)两向量a与b为锐角⇔a·b>0且a与b不共线.
    (2)两向量a与b为钝角⇔a·b<0且a与b不共线.
    (3)(a±b)2=a2±2a·b+b2.
    (4)(a+b)·(a﹣b)=a2﹣b2.
    (5)a与b同向时,a·b=|a||b|.
    (6)a与b反向时,a·b=﹣|a||b|.
    二、教材衍化
    已知a·b=﹣12,|a|=4,a和b的夹角为135°,则|b|为(  )
    A.12 B.6 C.3 D.3
    解析:选B.a·b=|a|·|b|cos 135°=﹣12,所以|b|=6.

    一、思考辨析
    判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
    (1)向量在另一个向量方向上的投影为数量,而不是向量.(  )
    (2)两个向量的数量积是一个实数,向量的加、减、数乘运算的运算结果是向量.(  )
    (3)由a·b=0可得a=0或b=0.(  )
    (4)(a·b)c=a(b·c).(  )
    (5)两个向量的夹角的范围是.(  )
    (6)若a·b>0,则a和b的夹角为锐角;若a·b<0,则a和b的夹角为钝角.(  )
    答案:(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)×
    二、易错纠偏
    常见误区(1)没有找准向量的夹角致误;
    (2)不理解向量的数量积的几何意义致误;
    (3)向量的数量积的有关性质应用不熟练致误.
    1.在△ABC中,AB=3,AC=2,BC=,则·的值为________.
    解析:在△ABC中,由余弦定理得cos A===.
    所以·=||||cos(π﹣A)=﹣||||·cos A=﹣3×2×=﹣.
    答案:﹣
    2.已知|a|=5,|b|=4,a与b的夹角θ=120°,则向量b在向量a方向上的投影为________.
    解析:由数量积的定义知,b在a方向上的投影为|b|cos θ=4×cos 120°=﹣2.
    答案:﹣2
    3.已知向量a与b的夹角为,|a|=|b|=1,且a⊥(a﹣λb),则实数λ=________.
    解析:由题意,得a·b=|a||b|cos =,因为a⊥(a﹣λb),所以a·(a﹣λb)=|a|2﹣λa·b=1﹣=0,所以λ=2.
    答案:2

    考点一 平面向量数量积的运算(基础型)
    复习指导
    1.理解平面向量数量积的含义及其物理意义.
    2.体会平面向量的数量积与向量投影的关系.
    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.
    核心素养:数学运算、数学抽象
    (一题多解)在四边形ABCD中,AD∥BC,AB=2,AD=5,∠A=30°,点E在线段CB的延长线上,且AE=BE,则·=________.
    【解析】 法一:在等腰△ABE中,易得∠BAE=∠ABE=30°,故BE=2,
    则·=(﹣)·(+)=·+·﹣﹣·
    =5×2×cos 30°+5×2×cos 180°﹣12﹣2×2×cos 150°=15﹣10﹣12+6=﹣1.
    法二:在△ABD中,由余弦定理可得BD==,
    所以cos∠ABD==﹣,则sin∠ABD=.
    设与的夹角为θ,则cos θ=cos(180°﹣∠ABD+30°)=﹣cos(∠ABD﹣30°)
    =﹣cos∠ABD·cos 30°﹣sin∠ABD·sin 30°=﹣,
    在△ABE中,易得AE=BE=2,故·=×2×(﹣)=﹣1.
    【答案】 ﹣1

    求向量a,b的数量积a·b的两种方法
    (1)当已知向量的模和夹角时,可利用定义法求解,即a·b=|a||b|cos〈a,b〉. 
    (2)当已知向量的坐标时,可利用坐标法求解,即若a=(x1,y1),b=(x2,y2),则a·b=x1x2+y1y2.
    当已知向量是非坐标形式时,若图形适合建立平面直角坐标系时,可建立坐标系,运用坐标法求解.

    1.已知a=(1,2),b=(m,m+3),c=(m﹣2,﹣1),若a∥b,则b·c=(  )
    A.﹣7 B.﹣3 C.3 D.7
    解析:选B.因为a=(1,2),b=(m,m+3),a∥b,所以1×(m+3)﹣2m=0,所以m=3,所以b·c=m(m﹣2)﹣(m+3)=﹣3,故选B.
    2.已知=(2,3),=(3,t),||=1,则·=(  )
    A.﹣3 B.﹣2 C.2 D.3
    解析:选C.因为=﹣=(3,t)﹣(2,3)=(1,t﹣3),因为||=1,
    所以=1,所以t=3,所以=(1,0),
    所以·=2×1+3×0=2,故选C.
    3.(一题多解)在直角三角形ABC中,∠C=,AB=4,AC=2,若=,则·=(  )
    A.﹣18 B.﹣6 C.18 D.6
    解析:选C.通解:由∠C=,AB=4,AC=2,得CB=2,·=0.·=(+)·=·+·=(﹣)·=2=18,故选C.

    优解一:如图,以C为坐标原点,CA,CB所在的直线分别为x,y轴,建立平面直角坐标系,则C(0,0),A(2,0),B(0,2).由题意得∠CBA=,又=,所以D=(﹣1,3),则·=(﹣1,3)·(0,2)=18,故选C.
    优解二:因为∠C=,AB=4,AC=2,所以CB=2,所以在上的投影为2,又=,所以在上的投影为×2=3,则在上的投影为3,所以·=||·||cos〈,〉=2×3=18,故选C.
    考点二 平面向量数量积的应用(基础型)
    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.
    核心素养:数学运算、逻辑推理


    角度一 求两平面向量的夹角
    (1)(一题多解)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.
    (2)已知向量=(x,1)(x>0),=(1,2),||=,则,的夹角为(  )
    A. B. C. D.
    【解析】 (1)法一:由题意得,(a﹣b)·b=0⇒a·b=|b|2,所以|a||b|·cosa,b=|b|2,因为|a|=2|b|,所以2|b|2cosa,b=|b|2⇒cosa,b=,所以a,b=,故选B.
    法二:如图,设=a,=b,则=a﹣b,所以B=,||=2||,所以∠AOB=,即a,b=.

    (2)因为=﹣=(1﹣x,1),所以||2=(1﹣x)2+1=5,
    即x2﹣2x﹣3=0,解得x=3或x=﹣1(舍).设,的夹角为θ,
    则cos θ==,所以θ=.
    【答案】 (1)B (2)C

    求向量夹角问题的方法
    (1)当a,b是非坐标形式时,求a与b的夹角θ,需求出a·b及|a|,|b|或得出它们之间的关系.
    (2)若已知a=(x1,y1)与b=(x2,y2),则cos〈a,b〉= . 
    角度二 求平面向量的模
    (1)(一题多解)已知e1,e2是两个单位向量,且|e1+e2|=,则|e1﹣e2|=________.
    (2)设x∈R,向量a=(x,1),b=(1,﹣2),且a⊥b,则|a|=________,则当t∈[﹣,2]时,|a﹣tb|的取值范围是________.
    【解析】 (1)法一:|e1+e2|=,两边平方,得e+2e1·e2+e=3,又e1,e2是单位向量,所以2e1·e2=1,所以|e1﹣e2|2=e﹣2e1·e2+e=1,所以|e1﹣e2|=1.
    法二:如图,设=e1,=e2,又e1,e2是单位向量,所以||=||=1,

    以AB,AD为邻边作平行四边形ABCD,连接AC,BD,所以=e1+e2,=e1﹣e2,因为|e1+e2|=,即||=,所以∠ABC=120°,则∠DAB=60°,所以||=1,即|e1﹣e2|=1.
    (2)向量a=(x,1),b=(1,﹣2),且a⊥b,所以x﹣2=0,解得x=2,所以|a|==.
    |a﹣tb|2=a2+t2b2﹣2ta·b=5t2+5,所以当t=0时,取得最小值为5;当t=2时,最大值为25.即|a﹣tb|的取值范围是[,5].
    【答案】 (1)1 (2) [,5]

    求向量的模或其范围的方法
    (1)定义法:|a|==,|a±b|==.
    (2)坐标法:设a=(x,y),则|a|=.
    (3)几何法:利用向量加减法的平行四边形法则或三角形法则作出向量,再利用解三角形的相关知识求解.
    [提醒] (1)求形如ma+nb的向量的模,可通过平方,转化为数量的运算.
    (2)用定义法和坐标法求模的范围时,一般把它表示成某个变量的函数,再利用函数的有关知识求解;用几何法求模的范围时,注意数形结合的思想,常用三角不等式进行最值的求解.
    角度三 两平面向量垂直问题
    已知向量与的夹角为120°,且||=3,||=2.若=λ+,且⊥,则实数λ的值为________. 
    【解析】 因为⊥,所以·=0.
    又=λ+,=﹣,所以(λ+)·(﹣)=0,
    即(λ﹣1)·﹣λ2+2=0,所以(λ﹣1)||||cos 120°﹣9λ+4=0.
    所以(λ﹣1)×3×2×(﹣)﹣9λ+4=0.解得λ=.
    【答案】 






    两向量垂直的应用
    两非零向量垂直的充要条件是:a⊥b⇔a·b=0⇔|a﹣b|=|a+b|.
    [注意] 若a=0,虽然有a·b=0,但不能说a⊥b. 

    1.已知向量a,b满足|a|=1,|b|=2,a﹣b=(,),则|a+2b|=(  )
    A.2 B.2 C. D.
    解析:选C.因为a﹣b=(,),所以|a﹣b|=,
    所以|a﹣b|2=|a|2﹣2a·b+|b|2=5﹣2a·b=5,则a·b=0,
    所以|a+2b|2=|a|2+4a·b+4|b|2=17,所以|a+2b|=.故选C.
    2.已知在四边形ABCD中,+=0,(﹣)·=0,则四边形ABCD是(  )
    A.矩形 B.正方形 C.菱形 D.梯形
    解析:选C.因为+=0,所以=﹣=,所以四边形ABCD是平行四边形.又(﹣)·=·=0,所以四边形的对角线互相垂直,所以四边形ABCD是菱形.
    3.(一题多解)已知正方形ABCD,点E在边BC上,且满足2=,设向量,的夹角为θ,则cos θ=________.
    解析:法一:因为2=,所以E为BC的中点.设正方形的边长为2,则||=,||=2,·=(+)·(﹣)=||2﹣||2+·=×22﹣22=﹣2,
    所以cos θ===﹣.
    法二:因为2=,所以E为BC的中点.
    设正方形的边长为2,建立如图所示的平面直角坐标系xAy,则点A(0,0),B(2,0),D(0,2),E(2,1),所以=(2,1),=(﹣2,2),所以·=2×(﹣2)+1×2=﹣2,故cos θ===﹣.

    答案:﹣
    考点三 向量数量积的综合应用(综合型)
    解决此类问题的关键是把向量关系转化为向量数量积的有关运算,进一步转化为实数运算,进而利用相关知识求解.
    在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,向量m=(cos(A﹣B),sin(A﹣B)),n=(cos B,﹣sin B),且m·n=﹣.
    (1)求sin A的值;
    (2)若a=4,b=5,求角B的大小及向量在方向上的投影.
    【解】 (1)由m·n=﹣,得cos(A﹣B)cos B﹣sin(A﹣B)sin B=﹣,
    所以cos A=﹣.因为0 (2)由正弦定理=,得sin B===,
    因为a>b,所以A>B,则B=,
    由余弦定理得=52+c2﹣2×5c×(﹣),解得c=1.
    故向量在方向上的投影为||cos B=ccos B=1×=.

    平面向量与三角函数的综合问题
    (1)题目条件给出的向量坐标中含有三角函数的形式,运用向量共线或垂直或等式成立等,得到三角函数的关系式,然后求解.
    (2)给出用三角函数表示的向量坐标,要求的是向量的模或者其他向量的表达形式,解题思路是经过向量的运算,利用三角函数在定义域内的有界性,求得值域等.

    已知A,B,C分别为△ABC的三边a,b,c所对的角,向量m=(sin A,sin B),n=(cos B,cos A),且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·(﹣)=18,求边c的长.
    解:(1)由已知得m·n=sin Acos B+cos Asin B=sin(A+B),
    因为A+B+C=π,所以sin(A+B)=sin(π﹣C)=sin C,
    所以m·n=sin C,又m·n=sin 2C,所以sin 2C=sin C,所以cos C=.
    又0<C<π,所以C=.
    (2)由已知及正弦定理得2c=a+b.
    因为·(﹣)=·=18,所以abcos C=18,所以ab=36.
    由余弦定理得c2=a2+b2﹣2abcos C=(a+b)2﹣3ab,所以c2=4c2﹣3×36,
    所以c2=36,所以c=6.

    [基础题组练]
    1.设a=(1,2),b=(1,1),c=a+kb.若b⊥c,则实数k的值等于(  )
    A.﹣ B.﹣ C. D.
    解析:选A.c=a+kb=(1,2)+k(1,1)=(1+k,2+k),因为b⊥c,所以b·c=0,b·c=(1,1)·(1+k,2+k)=1+k+2+k=3+2k=0,所以k=﹣.
    2.已知向量a,b满足|a|=1,|b|=2,a·(a﹣2b)=0,则|a+b|=(  )
    A. B. C.2 D.
    解析:选A.由题意知,a·(a﹣2b)=a2﹣2a·b=1﹣2a·b=0,所以2a·b=1,
    所以|a+b|===.故选A.
    3.a,b为平面向量,已知a=(2,4),a﹣2b=(0,8),则a,b夹角的余弦值等于(  )
    A.﹣ B.﹣ C. D.
    解析:选B.设b=(x,y),则有a﹣2b=(2,4)﹣(2x,2y)=(2﹣2x,4﹣2y)=(0,8),
    所以,解得,故b=(1,﹣2),|b|=,|a|=2,
    cos〈a,b〉===﹣,故选B.
    4.已知向量||=3,||=2,=m+n,若与的夹角为60°,且⊥,则实数的值为(  )
    A. B. C.6 D.4
    解析:选A.因为向量||=3,||=2,=m+n,与夹角为60°,
    所以·=3×2×cos 60°=3,所以·=(﹣)·(m+n)=(m﹣n)·﹣m||2+n||2=3(m﹣n)﹣9m+4n=﹣6m+n=0,所以=,故选A.
    5.(多选)已知△ABC的外接圆的圆心为O,半径为2,++=0,且||=||,下列结论正确的是(  )
    A.在方向上的投影长为﹣
    B.·=·
    C.在方向上的投影长为
    D.·=·
    解析:选BCD.由++=0得=﹣=,所以四边形OBAC为平行四边形.又O为△ABC外接圆的圆心,所以||=||,又||=||,所以△OAB为正三角形.因为△ABC的外接圆半径为2,所以四边形OBAC是边长为2的菱形,所以∠ACB=,所以在上的投影为||cos=2×=,故C正确.因为·=·=﹣2,·=·=2,故B,D正确.

    6.设向量a=(﹣1,2),b=(m,1),如果向量a+2b与2a﹣b平行,那么a与b的数量积等于________.
    解析:a+2b=(﹣1+2m,4),2a﹣b=(﹣2﹣m,3),由题意得3(﹣1+2m)﹣4(﹣2﹣m)=0,则m=﹣,所以a·b=﹣1×(﹣)+2×1=.
    答案:
    7.已知点M,N满足||=||=3,且|+|=2,则M,N两点间的距离为________.
    解析:依题意,得|+|2=||2+||2+2·=18+2·=20,
    则·=1,故M,N两点间的距离为||=|﹣|
    ===4.
    答案:4
    8.已知向量a,b,其中|a|=,|b|=2,且(a﹣b)⊥a,则向量a和b的夹角是________,a·(a+b)=________.
    解析:由题意,设向量a,b的夹角为θ,因为|a|=,|b|=2,且(a﹣b)⊥a,
    所以(a﹣b)·a=|a|2﹣a·b=|a|2﹣|a||b|cos θ=3﹣2·cos θ=0,解得cos θ=.
    又因为0≤θ≤π,所以θ=.则a·(a+b)=|a|2+|a|·|b|·cos θ=3+2×=6.
    答案: 6
    9.已知向量a=(2,﹣1),b=(1,x).
    (1)若a⊥(a+b),求|b|的值;
    (2)若a+2b=(4,﹣7),求向量a与b夹角的大小.
    解:(1)由题意得a+b=(3,﹣1+x).
    由a⊥(a+b),可得6+1﹣x=0,解得x=7,即b=(1,7),
    所以|b|==5.
    (2)由题意得,a+2b=(4,2x﹣1)=(4,﹣7),
    故x=﹣3,所以b=(1,﹣3),
    所以cos〈a,b〉===,
    因为〈a,b〉∈[0,π],
    所以a与b夹角是.
    10.在平面直角坐标系xOy中,点A(﹣1,﹣2),B(2,3),C(﹣2,﹣1).
    (1)求以线段AB,AC为邻边的平行四边形两条对角线的长;
    (2)设实数t满足(﹣t)·=0,求t的值.
    解:(1)由题设知=(3,5),=(﹣1,1),则+=(2,6),﹣=(4,4).
    所以|+|=2,|﹣|=4.
    故所求的两条对角线的长分别为4,2.
    (2)法一:由题设知:=(﹣2,﹣1),﹣t=(3+2t,5+t).
    由(﹣t)·=0,得:(3+2t,5+t)·(﹣2,﹣1)=0,
    从而5t=﹣11,所以t=﹣.
    法二:·=t2,=(3,5),t==﹣.




    [综合题组练]
    1.已知O是△ABC内部一点,且满足++=0,又·=2,∠BAC=60°,则△OBC的面积为(  )
    A. B.3 C.1 D.2
    解析:选C.由·=2,∠BAC=60°,可得·=||·||cos ∠BAC=·||||=2,所以||||=4,所以S△ABC=||||sin∠BAC=3,又++=0,所以O为△ABC的重心,所以S△OBC=S△ABC=1,故选C.
    2.在Rt△ABC中,∠C=90°,CB=2,CA=4,P在边AC的中线BD上,则·的最小值为(  )
    A.﹣ B.0 C.4 D.﹣1
    解析:选A.依题意,以C为坐标原点,分别以AC,BC所在的直线为x,y轴,建立如图所示的平面直角坐标系,则B(0,2),D(2,0),所以直线BD的方程为y=﹣x+2,因为点P在边AC的中线BD上,所以可设P(t,2﹣t)(0≤t≤2),所以=(t,2﹣t),=(t,﹣t),所以·=t2﹣t(2﹣t)=2t2﹣2t=2(t﹣)2﹣,当t=时,·取得最小值﹣,故选A.

    3.设x∈R,向量a=(x,1),b=(1,﹣2),且a⊥b,则|a|=________,则当t∈[﹣,2]时,|a﹣tb|的取值范围是________.
    解析:向量a=(x,1),b=(1,﹣2),且a⊥b,所以x﹣2=0,解得x=2,
    所以|a|==.
    |a﹣tb|2=a2+t2b2﹣2ta·b=5t2+5,所以当t=0时,取得最小值为5;
    当t=2时,取得最大值为25.即|a﹣tb|的取值范围是[,5].
    答案: [,5]





    4.在边长为2的菱形ABCD中,已知∠BAD=60°,E为线段CD上的任意一点,则·的最大值为________;向量的模的取值范围是________.

    解析:以AC所在直线为x轴,BD所在直线为y轴建立如图所示的平面直角坐标系,由∠BAD=60°,|AB|=2,可知△ABD为正三角形,|AO|=,|DO|=1,所以点A(﹣,0),C(,0),D(0,1),B(0,﹣1),=(2,0),=(,1).因为D,E,C三点共线,所以=x+(1﹣x),0≤x≤1,即=x(2,0)+(1﹣x)(,1)=((1+x),1﹣x),=(0,2),所以·=2(1﹣x).又0≤x≤1,所以0≤·=2(1﹣x)≤2,故·的最大值为2.
    ||===2,又0≤x≤1,故向量的模的取值范围是[2,2].
    答案:2 [2,2]
    5.(创新型)在△ABC中,∠A,∠B,∠C的对边分别为a,b,c,已知向量m=(cos B,2cos2 ﹣1),n=(c,b﹣2a),且m·n=0.
    (1)求∠C的大小;
    (2)若点D为边AB上一点,且满足=,||=,c=2,求△ABC的面积.
    解:(1)因为m=(cos B,cos C),n=(c,b﹣2a),m·n=0,
    所以ccos B+(b﹣2a)cos C=0,
    在△ABC中,由正弦定理得sin Ccos B+(sin B﹣2sin A)cos C=0,
    sin A=2sin Acos C,又sin A≠0,
    所以cos C=,而C∈(0,π),所以∠C=.
    (2)由=知,﹣=﹣,所以2=+,
    两边平方得4||2=b2+a2+2bacos ∠ACB=b2+a2+ba=28.①
    又c2=a2+b2﹣2abcos ∠ACB,所以a2+b2﹣ab=12.②
    由①②得ab=8,
    所以S△ABC=absin ∠ACB=2.

    6.在如图所示的平面直角坐标系中,已知点A(1,0)和点B(﹣1,0),||=1,且∠AOC=θ,其中O为坐标原点.

    (1)若θ=π,设点D为线段OA上的动点,求|+|的最小值;
    (2)若θ∈[0,],向量m=,n=(1﹣cos θ,sin θ﹣2cos θ),求m·n的最小值及对应的θ值.
    解:(1)设D(t,0)(0≤t≤1),由题意知C(-,),
    所以+=(-+t,),
    所以|+|2=﹣t+t2+=t2﹣t+1=(t-)2+,
    所以当t=时,|+|有最小值,为.
    (2)由题意得C(cos θ,sin θ),m==(cos θ+1,sin θ),
    则m·n=1﹣cos2θ+sin2θ﹣2sin θcos θ=1﹣cos 2θ﹣sin 2θ=1﹣sin(2θ+),
    因为θ∈[0,],所以≤2θ+≤,
    所以当2θ+=,即θ=时,sin(2θ+)取得最大值1.
    所以当θ=时,m·n取得最小值,为1﹣.

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