【培优方案】8.1.3 向量数量积的坐标运算(课件)人教B版数学必修第三册

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【培优方案】8.1.3 向量数量积的坐标运算(课件)人教B版数学必修第三册

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(共67张PPT)
8.1.3 
向量数量积的坐标运算
新课程标准解读 核心素养
1.掌握向量数量积的坐标表示及运算 数学运算
2.能根据两向量的坐标解决与向量的模、夹
角、垂直有关的问题 逻辑推理
目录
基础知识·重落实
01
典型例题·精研析
02
知能演练·扣课标
03
基础知识·重落实
01
课前预习 必备知识梳理
  “我知道我一直有双隐形的翅膀,带我飞飞过绝望,不去想他们
拥有美丽的太阳,我看见每天的夕阳也会有变化,我知道我一直有双
隐形的翅膀,带我飞给我希望……”,如果能为平面向量的数量积插
上“翅膀”,它又能飞多远呢?本节讲解平面向量数量积的“翅
膀”——坐标表示,它使平面向量的数量积同时具有几何形式和代数
形式的“双重身份”,从而可以使几何问题数量化,把“定性”研究
推向“定量”研究.
【问题】 在平面直角坐标系中,设i,j分别是x轴和y轴方向上的
单位向量,a=(3,2),b=(2,1),则a·b的值为多少?
a·b的值与a,b的坐标有怎样的关系?若a=(x1,y1),b=
(x2,y2),则a·b为多少?
知识点 向量数量积的坐标表示
1. 设平面向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),则
(1)a·b= ;
(2)a⊥b .
x1x2+y1y2 
x1x2+y1y2=0 
2. 三个重要公式
(1)设a=(x,y),则a2=x2+y2 |a|= ;
(2)两点间的距离公式:设点A(x1,y1),B(x2,y2),则|
AB|=| |= ;
(3)向量的夹角公式:设a,b都是 向量,a=(x1,
y1),b=(x2,y2),则 cos <a,b>=
= .
 
 
非零 
 
【想一想】
1. 向量数量积的坐标表示公式有什么特点?应用时应注意什么?
提示:公式的特点是“对应坐标相乘后再求和”,在解题时要注意
坐标的顺序.
2. 已知非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),问a与b夹角θ的
范围与坐标运算的数量积的关系式是什么?
提示:(1)当θ为锐角或零角 x1x2+y1y2>0;
(2)当θ为直角 x1x2+y1y2=0;
(3)当θ为钝角或平角 x1x2+y1y2<0.
1. 判断正误.(正确的画“√”,错误的画“×”)
(1)两个向量的数量积等于它们对应坐标乘积的和. ( √ )
(2)已知a=(x1,y1),b=(x2,y2),a⊥b x1x2-y1y2=
0. ( × )
(3)两个非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),满足x1y2-
x2y1=0,则向量a,b的夹角为180°. ( × )

×
×
2. 已知a=(-2,4),b=(1,2),则a·b等于(  )
A. 0 B. 10 C. 6 D. -10
解析:  由题意知,a·b=(-2)×1+4×2=6.
3. 已知向量a=(1,2),b=(x,-2),且a⊥b,则实数x等于
(  )
A. -7 B. 9 C. 4 D. -4
解析:  ∵a=(1,2),b=(x,-2),且a⊥b,∴a·b
=1×x+2×(-2)=0,即x-4=0,∴x=4.
4. 已知向量a=(2,2),b=(0,-3),则a与b的夹角
为 .
解析:因为向量a=(2,2),b=(0,-3),则a·b=-
6,|a|=2 ,|b|=3,则 cos <a,b>= =-
,又0°≤<a,b>≤180°,所以a与b的夹角为135°.
135° 
典型例题·精研析
02
课堂互动 关键能力提升
  
题型一 向量数量积的坐标运算
【例1】 (1)已知a=(1,2),b=(3,4),求a·b,(a-
b)·(2a+3b);
解: 法一 因为a=(1,2),b=(3,4),
所以a·b=1×3+2×4=11,
(a-b)·(2a+3b)=2a2+a·b-3b2=2|a|2+a·b
-3|b|2=2(12+22)+11-3(32+42)=-54.
法二 因为a=(1,2),b=(3,4),所以a·b=1×3+2×4=
11.
因为a-b=(1,2)-(3,4)=(-2,-2),
2a+3b=2(1,2)+3(3,4)=(2×1+3×3,2×2+3×4)=
(11,16),
所以(a-b)·(2a+3b)=-2×11+(-2)×16=-54.
(2)已知正方形ABCD的边长为2,E为CD的中点,点F在AD上,
且 =2 ,求 · .
解:如图所示,以A为原点,AB,AD所在直线分
别为x轴,y轴,建立直角坐标系.
则B(2,0),E(1,2),C(2,2),F ,
因为 =(-1,2), = .
所以 · =2- = .
通性通法
平面向量数量积坐标运算的两条途径
  进行向量的数量积运算,前提是牢记有关的运算法则和运算性
质.解题时通常有两条途径:
  一是先将各向量用坐标表示,直接进行数量积运算;
  二是先利用数量积的运算律将原式展开,再依据已知计算.
【跟踪训练】
1. 已知向量a=(-1,2),b=(3,2),则a·b= ,
a·(a-b)= .
解析:a·b=(-1,2)·(3,2)=(-1)×3+2×2=1,
a·(a-b)=(-1,2)·[(-1,2)-(3,2)]=(-1,
2)·(-4,0)=4.
1 
4 
解析:如图,以AB所在直线为x轴,以AD所在直线为y轴建立平
面直角坐标系.
则A(0,0),B(2,0),D(0,1),所以C(2,1).
因为E,F分别为BC,CD的中点,
所以E ,F(1,1),
所以 + = , =(-2,1),
所以( + )· =3×(-2)+ ×1=- .
2. 已知在矩形ABCD中,AB=2,AD=1,E,F分别为BC,CD的
中点,则( + )· = .
-  
题型二 求向量的模
【例2】 (1)若a,b满足|a|=1,|b|=2,a-b=( ,
),则|2a-b|=( C )
A. B. C. 2 D. 2
解析: 由已知得(a-b)2=a2-2a·b+b2=1-2a·b
+4=5,∴a·b=0,∴(2a-b)2=4a2-4a·b+b2=4-0
+4=8,∴|2a-b|=2 .
C
(2)若向量 =(1,-3),| |=| |, · =0,
则| |=    .
解析: 法一 设 =(x,y),由| |=| |,
知 = . ①
由题意知 · =x-3y=0. ②
由①②组成方程组,解得或当x=3,y=1
时, = - =(2,4),则| |=2 ;当x=-
3,y=-1时, =(-4,2),则| |=2 .故|
|=2 .
2
法二 由题意知,| |就是以 , 对应线段为邻边的正方形
的对角线长,∵| |= ,∴| |= × =2 .
【母题探究】
 (变条件)本例(1)中条件变为“设平面向量a=(1,2),b=
(-2,y),若a∥b”,求|2a-b|.
解:由a∥b,得1×y-2×(-2)=0,解得y=-4,所以b=(-
2,-4),所以2a-b=(4,8),则|2a-b|=4 .
通性通法
求向量的模的两种基本策略
(1)字母表示下的运算:利用|a|2=a2,将向量模的运算转化为
向量与向量的数量积问题;
(2)坐标表示下的运算:若a=(x,y),则a·a=a2=|a|2
=x2+y2,于是|a|= .
【跟踪训练】
 在平面直角坐标系中,O为原点,已知A(16,12),B(-5,
15),则| |= ,| |= .
解析:由题意可得| |= =20.| |=
= =15 .
20 
15  
题型三 向量夹角和垂直问题
【例3】 (1)设平面向量a=( cos α, sin α)
(0°≤α≤90°),b= .求证:a+b与a-b垂直;
解: 证明:法一 ∵(a+b)·(a-b)=( cos α-
, sin α+ )·( cos α+ , sin α- )=( cos α-
)·( cos α+ )+ · = cos 2α-
+ sin 2α- =1- - =0,∴(a+b)⊥(a-b).
法二 由已知可得a2=1,b2=1,
∴(a+b)·(a-b)=a2-b2=1-1=0,
∴(a+b)⊥(a-b).
(2)平面直角坐标系xOy中,O是原点(如图).已知点A(16,
12),B(-5,15).求∠OAB.
解:由 =(16,12), =(-5-16,15-12)=(-21,3),
得| |= =20,
| |= =15 .
cos ∠OAB= cos < , >= .
其中 · =- ·
=-(16,12)·(-21,3)
=-[16×(-21)+12×3]=300.
故 cos ∠OAB= = .
∴∠OAB=45°.
通性通法
利用向量的数量积求两向量夹角的一般步骤
(1)利用向量的坐标求出这两个向量的数量积;
(2)利用|a|= 求两向量的模;
(3)代入夹角公式求 cos θ,并根据θ的范围确定θ的值.
【跟踪训练】
1. 已知向量a=(2,4),b=(-1,1),c=a-tb,若b⊥c,
则实数t=(  )
A. 1 B. -1
C. D. 2
解析:  由题意得c=a-tb=(2,4)-t(-1,1)=(2+
t,4-t).∵b⊥c,∴b·c=(-1,1)·(2+t,4-t)=-
(2+t)+(4-t)=2-2t=0,解得t=1.故选A.
2. 已知平面向量a=(1,2),b=(4,2),c=ma+b
(m∈R),且c与a的夹角等于c与b的夹角,则m=(  )
A. -2 B. -1
C. 1 D. 2
解析:  由题意,得c=(m+4,2m+2), =
,∴ = ,∴ = ,∴m=2.故选D.
题型四 向量数量积的坐标运算的综合问题
【例4】 在△ABC中,BC边上的中线AD的长为2,P是△ABC所在
平面上的任意一点,则 · + · 的最小值为(  )
A. 1 B. 2
C. -2 D. -1
解析: 建立如图所示的平面直角坐标系,使得
点D在原点处,点A在y轴上,则A(0,2).设点
P的坐标为(x,y),则 =(-x,2-y),
=(-x,-y),故 · + · = ·( + )=2 · =2(x2+y2-2y)=2[x2+(y-1)2]-2≥-2,当且仅当x=0,y=1时等号成立.所以 · + · 的最小值为-2.
通性通法
解决向量数量积的最值或范围问题的方法技巧
(1)“图形化”技巧:利用平面向量线性运算以及数量积运算的几
何意义将问题转化为平面几何中的最值或范围问题,然后根据
平面图形的直观特征进行判断;
(2)“代数化”技巧:若已知条件中具有等腰三角形或矩形,常常
建立平面直角坐标系,通过坐标运算转化为函数的性质解决最
值或范围问题.
【跟踪训练】
在如图所示的矩形ABCD中,AB=2,AD=1,E为线段BC上的
点,则 · 的最小值为(  )
A. 2 B.
C. D. 4
解析:  如图所示,以点B为坐标原点,BC所在直线
为x轴,BA所在直线为y轴,建立平面直角坐标系,则A
(0,2),D(1,2).设E(x,0)(0≤x≤1),则
=(x,-2), =(x-1,-2),∴ ·
=(x,-2)·(x-1,-2)=x2-x+4= +
,又0≤x≤1,故当x= 时, · 取得最小值 .
1. 已知|a|=1,b=(0,2),且a·b=1,则向量a与b夹角的
大小为(  )
A. B.
C. D.
解析:  因为|a|=1,b=(0,2),且a·b=1,设a,b
夹角为θ,所以 cos θ= = = ,又θ∈[0,π],
所以θ= ,所以向量a与b夹角的大小为 .故选C.
2. (多选)设向量a=(1,0),b= ,则下列结论中错误的
是(  )
A. |a|=|b| B. a·b=
C. a-b与b垂直 D. a∥b
解析:  因为|a|=1,|b|= = ,所
以|a|≠|b|,故A错.因为a·b=1× +0× = ,故B错.
因为a-b=(1,0)- = ,所以(a-b)·b=
· = - =0,所以a-b与b垂直,故C符合题
意.因为1× -0× ≠0,所以a不平行于b,故D错.故选A、
B、D.
3. 已知向量a=(1,-1),向量b=(-1,2),则(2a+
b)·a= .
解析:由向量a=(1,-1),b=(-1,2),得2a+b=(1,
0),所以(2a+b)·a=(1,0)·(1,-1)=1×1+0×
(-1)=1.
1 
4. 已知平面向量a=(2,2),b=(x,-1).
(1)若a∥b,求x;
解: 因为a∥b,
所以-2-2x=0,可得x=-1.
(2)若a⊥(a-2b),求a与b所成夹角的余弦值.
解: 依题意a-2b=(2-2x,4),
因为a⊥(a-2b),所以a·(a-2b)=0,
即4-4x+8=0,解得x=3,
所以b=(3,-1).
所以 cos <a,b>= = .
知能演练·扣课标
03
课后巩固 核心素养落地
1. 已知向量a=(2, ),b=(-1, ),则向量a在b上的投
影向量为(  )
A. B.
C. D.
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解析:  ∵b=(-1, ),∴|b|=2.又∵向量a=(2,
),∴向量a在b的投影的数量为 = = ,所
以向量a在b上的投影向量为|a| cos <a,b> =
· = b= .故选A.
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2. 已知向量a=(1,n),b=(-1,n),若2a-b与b垂直,
则|a|=(  )
A. 1 B.
C. 2 D. 4
解析:  ∵(2a-b)·b=2a·b-|b|2=2(-1+n2)-
(1+n2)=n2-3=0,∴n2=3,∴|a|= =2.
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3. (多选)已知a=(1,1),b=(0,-2),且ka-b与a+b的
夹角为120°,则k=(  )
A. -1+ B. -2
C. -1- D. 1
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解析:  ∵|ka-b|= ,|a+b|=
= ,∴(ka-b)·(a+b)=(k,k+
2)·(1,-1)=k-k-2=-2,又ka-b与a+b的夹角为
120°,∴ cos 120°= ,即- =
,化简并整理,得k2+2k-2=0,解得k=-
1± .
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4. 设x,y∈R,向量a=(x,1),b=(1,y),c=(2,-
4),且a⊥c,b∥c,则|a+b|=(  )
A. B.
C. 2 D. 10
解析:  因为a=(x,1),b=(1,y),c=(2,-4),
由a⊥c得a·c=0,即2x-4=0,所以 x=2.由b∥c,得1×
(-4)-2y=0,所以 y=-2.所以a=(2,1),b=(1,-
2).所以a+b=(3,-1),所以|a+b|= =
.
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5. (多选)已知向量a=(3,4),b=(-4,-3),则下列说法
正确的是(  )
A. a与b的夹角是直角
B. |a+b|为2
C. a+b与a-b的夹角是直角
D. a在b上投影的数量等于b在a上投影的数量
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解析:  由向量a=(3,4),b=(-4,-3),得a·b=
-24<0,所以a与b的夹角是钝角,A错误.a+b=(-1,1),
所以|a+b|= = ,B错误.(a+b)·(a-
b)=a2-b2=0,所以a+b与a-b的夹角是直角,C正确.a在b
上投影的数量为|a| cos <a,b>= =- ,b在a上投
影的数量为|b| cos <a,b>= =- ,D正确.
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6. 在矩形ABCD中,AB= ,BC=2,E为BC的中点,点F在CD
上,若 · = ,则 · 的值为(  )
A. B. 2
C. 0 D. 1
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解析:  建立如图所示的坐标系xAy,可得A
(0,0),B( ,0),E( ,1),F
(x,2),则 =( ,0), =(x,
2),于是 · = x= ,解得x=1,因
此F(1,2), =( ,1), =(1-
,2), · = (1- )+1×2= .故选A.
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7. 已知平面向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),若|a|=2,|
b|=3,a·b=-6,则向量a与b的夹角为 , 的
值为 .
解析:设a,b的夹角为θ,则a·b=|a||b|· cos θ=-
6,∴ cos θ=-1,∴θ=180°.即a,b共线且反向,∴a=-
b,∴x1=- x2,y1=- y2,∴ =- .
180° 
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8. 在平面直角坐标系xOy中,已知A(1,4),B(-2,3),C
(2,-1),若( -t )⊥ ,则实数t= .
解析:∵ =(-3,-1), =(2,-1),∴ -t =
(-3-2t,-1+t),又( -t )⊥ ,∴(-3-2t)
×2+(-1+t)·(-1)=0.∴t=-1.
-1 
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9. 已知向量a=( cos θ, sin θ),向量b=( ,0),则|2a
-b|的最大值为 .
解析:2a-b=(2 cos θ- ,2 sin θ),|2a-b|=

= ,当且仅当 cos
θ=-1时,|2a-b|取最大值2+ .
2+  
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10. 已知a,b,c是同一平面内的三个向量,其中a=(1, ),
b,c为单位向量.
(1)若a∥c,求c的坐标;
解: 设c=(x,y),由题意,得
解得或
∴c= 或c= .
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(2)若a+2b与2a-b垂直,求a与b的夹角θ.
解: 由题意,得(a+2b)·(2a-b)=0,
即2|a|2+3a·b-2|b|2=0,∴a·b=-2.
∴ cos θ= =-1.而0≤θ≤π,∴θ=π.
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11. 角α顶点在坐标原点O,始边与x轴的非负半轴重合,点P在α的
终边上,点Q(-3,-4),且tan α=-2,则 与 夹角的
余弦值为(  )
A. - B.
C. 或- D. 或
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解析: 因为tan α=-2,所以可设P(x,-2x),所以
cos < , >= = ,当x>0时,
cos < , >= ,当x<0时, cos < , >=-
.故选C.
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12. 已知向量m=(λ+2,1),n=(λ+1,2),若(m+n)
⊥(m-n),则向量m,n的夹角的余弦值为 ,m+n在
n方向上的投影的数量为 .
 
 
解析:由题意知向量m+n=(2λ+3,3),m-n=(1,-
1),因为(m+n)⊥(m-n),所以λ=0.所以m=(2,
1),n=(1,2), cos <m,n>= ,m+n=(3,3).m
+n在n方向上的投影的数量为|m+n| cos <m+n,n>=
= .
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13. 已知向量a=(1,2),b=(-3,4),c=a+λb,λ∈R.
(1)求λ为何值时, |c|最小?此时b与c的位置关系如何?
解: 由a=(1,2),b=(-3,4),
得c=a+λb=(1-3λ,2+4λ),
|c|2=c2=(1-3λ)2+(2+4λ)2=5+10λ+25λ2
=25 +4,
当λ=- 时,|c|最小,此时c= ,b·c=0,
所以b⊥c.
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(2)求λ为何值时, a与c的夹角最小? 此时a与c的位置关系
如何?
解: 设向量a与c的夹角为θ,则
cos θ= = = ,
要使向量a与c的夹角最小,则 cos θ最大,
由于θ∈[0, π],所以 cos θ的最大值为1,此时θ=0,
=1,解得λ=0,c=(1,2).
所以当λ=0时,a与c的夹角最小,此时a=c.
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14. (多选)在△ABC中, =(2,3), =(1,k),若
△ABC是直角三角形,则k的值可以是(  )
A. -1 B.
C. D.
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解析: 在△ABC中, =(2,3), =(1,k),①
当A=90°时, · =0,即2×1+3k=0,解得k=- .②
当B=90°时, = - =(-1,k-3),且 · =
0,即2×(-1)+3×(k-3)=0,解得k= .③当C=90°
时, · =0,即-1+k(k-3)=0,整理得k2-3k-1=
0,解得k= .综上知,k的取值为- 或 或 .
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15. 在△ABC中,满足 ⊥ ,M是BC的中点.
(1)若| |=| |,求向量 +2 与向量2 +
的夹角的余弦值;
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解: 设向量 +2 与向量2 + 的夹角为
θ,| |=| |=a.
∵ ⊥ ,∴ · =0,
∴( +2 )·(2 + )=2 +5 · +
2 =4a2,
| +2 |=
= = a,
同理可得|2 + |= a,
∴ cos θ= = = .
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(2)若O是线段AM上任意一点,且| |=| |= ,
求 · + · 的最小值.
解: ∵ ⊥ ,| |=| |= ,∴|
|=1.
设| |=x(0≤x≤1),则| |=1-x,而 +
=2 ,
∴ · + · = ·( + )=2 ·
=2| |·| |· cos π=-2x(1-x)=2x2-2x
=2 - ,
当且仅当x= 时, · + · 取得最小值- .
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