论文部分内容阅读
在学习高中数学的过程中,学生对向量知识的学习、应用,有助于其更好地理解数学和生活以及其它学科之间的关系.向量是初
等数学与高等数学的衔接点之一,向量是不等式、解析几何以及三角函数等多种数学知识的交汇点.如果合理地将向量应用在线性规划、几何、函数以及不等式等各种数学问题中,可以充分发挥向量直观、简明的特点,进一步降低学生求解的难度,对学生解题起到极大的帮助作用.
一、向量在线性规划中的应用
根据向量的数量积,将类似z=ax+by的目标函数当作平面内向量
AM=(a,b),向量AB=(x,y)的数量积,假设|AM|是定值,那么z值是向量
AN在向量AM方向上的投影的非零常数倍.所以,投影最值点即为最优点.
例1 假设z=x+4y这个式子中变量x、y满足下面下面三个条件:①x-8y<0,②x+2y<3,③x>1,求z的最大值、最小值.
解:设N(x,y)是可行域内的任意一点,点M为(2,4),那么z=
AM·
AN
,通过向量数量积的几何意义可知:
当N(x,y)处于O为(2,4)时,z=x+4y的最大值即为18;
当N(x,y)处于P(2,18)时,z=x+4y的最小值即为52.
二、向量在几何问题中的应用
1.向量在平面几何中的应用
我们把具有大小和方向的量叫做向量,向量的大小叫做向量的长度或模.和向量相关的还有相等向量、零向量、共线向量等.对于向量(a,b)(b≠0),a∥b的充要条件是存在实数λ,使a=λ b.
例2 已知△AOM的三个顶点分别是A(0,-2),O(2,0),M(-3,1),点B、C、D分别是AO、AM、OM上的中点,求直线BC、BD、CD的方程.
解析:
根据上述三角形三个顶点的坐标A(0,-2),O(2,0),M(-3,1),可以得出中点B、C、D的坐标分别是(1,-1)、(-32,-12)、(-12,12).假设G(x,y)是直线BD上的一个点,因为DG∥DB,则就可以求出BD的方程.同理,可以求出BC、CD所在直线的方程.通过向量分析各几何元素之间的关系,进一步将上述问题转变成共线向量、直线向量的问题,进一步就能得出BC、CD所在直线的方程.
2.空间向量在立体几何中的应用
立体几何是高中数学教学中的重点,同时也是难点之一,由于空间图形的复杂性、多变性,要求学生有较强的空间想象能力、逻辑推理能力等,对于大多数学生来说比较难学.而将向量法运用在立体几何问题中,可以让复杂的几何问题简单化,让学生快速找到问题的答案,尤其是在空间想象力不够时,尝试建立直角坐标系,可将立体几何问题转化为代数形式,使立体几何问题变得简单易求,从而找出解决问题的方法.
图1
例3 在正方体ABCD-A1B1C1D1中,如图1所示,已知E是棱DD1的中点,问是否在棱C1D1上面存在一个点M,使B1M和平面A1BE平行?如果存在则证明该结论,要求用向量法进行求解.
解:将点A当作坐标原点,建立坐标系,假设正方形棱长是2,那么点B为(2,0,0),点E为(0,2,1),点B1为(2,0,2);
所以BE=(-2,2,1),而BA1=(-2,0,2).
假设面BEA1的法向量是m=(x,y,z),那么m
·BE=-2x +2y + z =0并且m·BA1=2x+2z,如果x=1,那么z=-1,y=32,得出
m=(1,
32,-1).
如果在棱C1D1上面存在有一点M,且B1M∥平面A1BE,设M(xa,2,2),(0≤xa≤2),那么BM=(xa-2,2,2),进而得出m
·BM=1×(xa -2)-
32×2-(-1)×2=0,通过计算可知xa=1,故M为C1D1中点时,可得出B1M∥平面A1BE.
三、向量在不等式中的应用
在求解不等式的过程中,如果合理应用向量法,则会起到事半功倍的效果.
求形如a2+b2±
c2+d2的不等式问题,可构造出向量的和与差,再利用向量的三角不等式
|a|-|b|≤|a±b|≤|a|+|b|进行求解.
例4 设a、b∈R+, p、q满足p2 +q2=1, 求证:
(ap)2+(bq)2+
(bp)2+(aq)2≥a+b.
证明: 设向量m=( ap, bq) , n=( bp,aq) , 则
(ap)2+(bq)2
+(bp)2+(aq)2
=|m|+|n|≥|m+n|=p2(a+b)2+q2(a+b)2.
即(ap)2+(bq)2+
(bp)2+(aq)2≥
(p2+q2)(a+b)2.
因a、b∈R+,p2 +q2=1,
故(ap)2+(bq)2+
(bp)2+(aq)2≥a+b.
通过向量法进行求解要比两点之间的距离公式、利用三角代换等方法都要简单.这种方法构思新颖、巧妙,可以向学生展示出整个数学建模过程.也就是问题→建模→还原,这三个步骤,充分发挥出向量的工具性功能.
向量本身具有几何形式与代数形式的双重身份,故其是代数和几何之间联系的重要纽带,在线性规划、平面几何、立体几何、不等式及三角函数的解题中均有一定的价值.在高中数学教学中,引导学生运用向量知识去解决复杂的数学问题,既有助于培养学生灵活运用知识的能力,又可以提高学生的创新意识.
等数学与高等数学的衔接点之一,向量是不等式、解析几何以及三角函数等多种数学知识的交汇点.如果合理地将向量应用在线性规划、几何、函数以及不等式等各种数学问题中,可以充分发挥向量直观、简明的特点,进一步降低学生求解的难度,对学生解题起到极大的帮助作用.
一、向量在线性规划中的应用
根据向量的数量积,将类似z=ax+by的目标函数当作平面内向量
AM=(a,b),向量AB=(x,y)的数量积,假设|AM|是定值,那么z值是向量
AN在向量AM方向上的投影的非零常数倍.所以,投影最值点即为最优点.
例1 假设z=x+4y这个式子中变量x、y满足下面下面三个条件:①x-8y<0,②x+2y<3,③x>1,求z的最大值、最小值.
解:设N(x,y)是可行域内的任意一点,点M为(2,4),那么z=
AM·
AN
,通过向量数量积的几何意义可知:
当N(x,y)处于O为(2,4)时,z=x+4y的最大值即为18;
当N(x,y)处于P(2,18)时,z=x+4y的最小值即为52.
二、向量在几何问题中的应用
1.向量在平面几何中的应用
我们把具有大小和方向的量叫做向量,向量的大小叫做向量的长度或模.和向量相关的还有相等向量、零向量、共线向量等.对于向量(a,b)(b≠0),a∥b的充要条件是存在实数λ,使a=λ b.
例2 已知△AOM的三个顶点分别是A(0,-2),O(2,0),M(-3,1),点B、C、D分别是AO、AM、OM上的中点,求直线BC、BD、CD的方程.
解析:
根据上述三角形三个顶点的坐标A(0,-2),O(2,0),M(-3,1),可以得出中点B、C、D的坐标分别是(1,-1)、(-32,-12)、(-12,12).假设G(x,y)是直线BD上的一个点,因为DG∥DB,则就可以求出BD的方程.同理,可以求出BC、CD所在直线的方程.通过向量分析各几何元素之间的关系,进一步将上述问题转变成共线向量、直线向量的问题,进一步就能得出BC、CD所在直线的方程.
2.空间向量在立体几何中的应用
立体几何是高中数学教学中的重点,同时也是难点之一,由于空间图形的复杂性、多变性,要求学生有较强的空间想象能力、逻辑推理能力等,对于大多数学生来说比较难学.而将向量法运用在立体几何问题中,可以让复杂的几何问题简单化,让学生快速找到问题的答案,尤其是在空间想象力不够时,尝试建立直角坐标系,可将立体几何问题转化为代数形式,使立体几何问题变得简单易求,从而找出解决问题的方法.
图1
例3 在正方体ABCD-A1B1C1D1中,如图1所示,已知E是棱DD1的中点,问是否在棱C1D1上面存在一个点M,使B1M和平面A1BE平行?如果存在则证明该结论,要求用向量法进行求解.
解:将点A当作坐标原点,建立坐标系,假设正方形棱长是2,那么点B为(2,0,0),点E为(0,2,1),点B1为(2,0,2);
所以BE=(-2,2,1),而BA1=(-2,0,2).
假设面BEA1的法向量是m=(x,y,z),那么m
·BE=-2x +2y + z =0并且m·BA1=2x+2z,如果x=1,那么z=-1,y=32,得出
m=(1,
32,-1).
如果在棱C1D1上面存在有一点M,且B1M∥平面A1BE,设M(xa,2,2),(0≤xa≤2),那么BM=(xa-2,2,2),进而得出m
·BM=1×(xa -2)-
32×2-(-1)×2=0,通过计算可知xa=1,故M为C1D1中点时,可得出B1M∥平面A1BE.
三、向量在不等式中的应用
在求解不等式的过程中,如果合理应用向量法,则会起到事半功倍的效果.
求形如a2+b2±
c2+d2的不等式问题,可构造出向量的和与差,再利用向量的三角不等式
|a|-|b|≤|a±b|≤|a|+|b|进行求解.
例4 设a、b∈R+, p、q满足p2 +q2=1, 求证:
(ap)2+(bq)2+
(bp)2+(aq)2≥a+b.
证明: 设向量m=( ap, bq) , n=( bp,aq) , 则
(ap)2+(bq)2
+(bp)2+(aq)2
=|m|+|n|≥|m+n|=p2(a+b)2+q2(a+b)2.
即(ap)2+(bq)2+
(bp)2+(aq)2≥
(p2+q2)(a+b)2.
因a、b∈R+,p2 +q2=1,
故(ap)2+(bq)2+
(bp)2+(aq)2≥a+b.
通过向量法进行求解要比两点之间的距离公式、利用三角代换等方法都要简单.这种方法构思新颖、巧妙,可以向学生展示出整个数学建模过程.也就是问题→建模→还原,这三个步骤,充分发挥出向量的工具性功能.
向量本身具有几何形式与代数形式的双重身份,故其是代数和几何之间联系的重要纽带,在线性规划、平面几何、立体几何、不等式及三角函数的解题中均有一定的价值.在高中数学教学中,引导学生运用向量知识去解决复杂的数学问题,既有助于培养学生灵活运用知识的能力,又可以提高学生的创新意识.