资源简介 §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=a,=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,=a,=b,过的起点A和终点B,分别作所在直线的垂线,垂足分别为A1,B1,得到,我们称上述变换为向量a向向量b投影,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=(x1,y1),b=(x2,y2),a与b的夹角为θ.几何表示 坐标表示数量积 a·b=|a||b|cos θ a·b=x1x2+y1y2模 |a|= |a|=夹角 cos θ= cos θ=a⊥b的充要条件 a·b=0 x1x2+y1y2=0a∥b的充要条件 a=λb(λ∈R) x1y2-x2y1=0|a·b|与|a||b|的关系 |a·b|≤|a||b| (当且仅当a∥b时等号成立) |x1x2+y1y2|≤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=0B.a·b=b·c,则a=cC.a·b=0 a⊥bD.(a+b)·(a-b)=|a|2-|b|2答案 CD2.已知向量a,b的夹角为60°,|a|=2,|b|=1,则|a+2b|=________.答案 23.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=,P为CD上一点,=3,||=4,||=3,与的夹角为θ,且cos θ=,则·=________.答案 -2解析 如图所示,∵=,∴四边形ABCD为平行四边形,∵=3,∴=+=+,=-=-,又∵||=4,||=3,cos θ=,则·=4×3×=8,∴·=·=·-2+2=×8-9+×42=-2.教师备选1.(2019·全国Ⅱ)已知=(2,3),=(3,t),||=1,则·等于( )A.-3 B.-2 C.2 D.3答案 C解析 因为=-=(1,t-3),所以||==1,解得t=3,所以=(1,0),所以·=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=x+y,则x+y=________;②·=________.答案 1解析 ①∵M是BC的中点,∴=,∵D是AM的中点,∴=+=+,∴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,∴·=||||cos∠DBM=||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=(x1,y1),b=(x2,y2),则a·b=x1x2+y1y2.(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=(+),则||=________;·=________.答案 -1解析 建立如图所示的平面直角坐标系,∵=(+),∴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),∴||=,=(0,-1),=(-2,1),∴·=-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e1,e2是两个单位向量,且|e1+e2|=,则|e1-e2|=________.答案 1解析 由|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.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P1(cos α,sin α),P2(cos β,-sin β),P3(cos(α+β),sin(α+β)),A(1,0),则( )A.||=||B.||=||C.·=·D.·=·答案 AC解析 由题意可知,||==1,||==1,所以||=||,故A正确;取α=,则P1,取β=,则P2,则||≠||,故B错误;因为·=cos(α+β),·=cos αcos β-sin αsin β=cos(α+β),所以·=·,故C正确;因为·=cos α,·=cos βcos(α+β)-sin βsin(α+β)=cos(α+2β),取α=,β=,则·=,·=cos =-,所以·≠·,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F1,F2,若|F1|=|F2|,且F1与F2的夹角为θ,则以下结论正确的是( )A.|F1|的最小值为|G|B.θ的范围为[0,π]C.当θ=时,|F1|=|G|D.当θ=时,|F1|=|G|答案 ACD解析 由题意知,F1+F2+G=0,可得F1+F2=-G,两边同时平方得|G|2=|F1|2+|F2|2+2|F1||F2|cos θ=2|F1|2+2|F1|2cos θ,所以|F1|2=.当θ=0时,|F1|min=|G|;当θ=时,|F1|=|G|;当θ=时,|F1|=|G|,故A,C,D正确;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F1,F2,F3作用于一点,且处于平衡状态,已知|F1|=1 N,|F2|= N,F1与F2的夹角为45°,求:(1)F3的大小;(2)F3与F1夹角的大小.解 (1)∵三个力平衡,∴F1+F2+F3=0,∴|F3|=|F1+F2|====1+.(2)方法一 设F3与F1的夹角为θ,则|F2|=,即=,解得cos θ=-,∵θ∈[0,π],∴θ=.方法二 设F3与F1的夹角为θ,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|ν1|=10 km/h,水流速度的大小为|ν2|=6 km/h.设ν1与ν2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ν1=(-5,5),ν2=(6,0),所以ν1+ν2=(1,5),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,=a,=b,则a·b=(||2-||2).(2)在△ABC中,=a,=b,AM为中线,则a·b=||2-||2.例1 在△ABC中,M是BC的中点,AM=3,BC=10,则·=________.答案 -16解析 如图所示,由极化恒等式,易得·=2-2=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·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,·有最小值,即·=2-2=()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⊥,记=a,=b,=c,M为AB的中点,由极化恒等式有(a-c)·(b-c)=·=||2-=0,∴||2==,可知是有固定起点,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.4C.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·cB.(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bC.2m+n=4D.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=a,=b.(1)用a,b表示向量;(2)若向量a,b满足|a|=3,|b|=2,〈a,b〉=60°,求·的值.解 (1)=(+)=a+b,所以=a+b.(2)·=a·=a2+a·b=×32+×3×2×cos 60°=6,所以·=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·等于( )A.12 B.-12C.20 D.-20答案 B解析 如图所示,由题知∠BAD=∠BCD=90°,AD=2,CD=4,∴·=(+)·=·+·=||||cos∠BDA-||||cos∠BDC=||2-||2=4-16=-12.12.在△ABC中,已知·=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,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·=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F1,F2,且F1,F2与水平夹角均为45°,|F1|=|F2|=10 N,则物体的重力大小为________ N.答案 20解析 如图所示,∵|F1|=|F2|=10 N,∴|F1+F2|=10×=20 N,∴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|2+|的值为________;(+)·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,∴(2+)2=42+4·+2=4x2+4x(1-2x)×cos 0°+(1-2x)2=1,∴|2+|=1,∵(+)·=(+)·(+)=2+·=(x)2+(1-2x)×(1-x)=5x2-3x+1=52+,∴当x=时,(+)·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 aB.λ(a b)=(λa) b(λ∈R)C.(a+b) c=a c+b cD.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·(-)=18,求c.解 (1)m·n=sin Acos B+sin Bcos A=sin(A+B),在△ABC中,A+B=π-C,0所以sin(A+B)=sin C,所以m·n=sin C,又m·n=sin 2C,所以sin 2C=sin C,cos C=,又因为C∈(0,π),故C=.(2)由sin A,sin C,sin B成等差数列,可得2sin C=sin A+sin B,由正弦定理得2c=a+b.因为·(-)=18,所以·=18,即abcos C=18,ab=36.由余弦定理得c2=a2+b2-2abcos C=(a+b)2-3ab,所以c2=4c2-3×36,c2=36,所以c=6. 展开更多...... 收起↑ 资源预览