向量的运算与三角形“五心”的交汇

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  向量,既有“数”的抽象,又有“形”的直观,是沟通代数与几何的桥梁.向量的运算是平面向量这一章的重点内容,包含两个层面:一是非坐标下的运算,二是坐标下的运算.在非坐标运算中,主要遵循“基向量”的思想,从向量加法、减法和数乘的原始定义出发.
  在三角形中,有一些点是比较重要的,比如三角形的“五心”,即外心、内心、重心、垂心和旁心.下面我们先把这些点叙述一下.
  1.外心:三角形三边中垂线的交点,也就是三角形外接圆的圆心;
  2.内心:三角形三条内角平分线的交点,也就是三角形内切圆的圆心;
  3.重心:三角形三条中线的交点;
  4.垂心:三角形三条高线的交点;
  5.旁心:三角形一个内角的平分线和其他两个内角的外角平分线的交点,也就是三角形旁切圆的圆心.
  以下各题在:内心,外心,重心,垂心,旁心中选填
  题1:已知O为△ABC所在平面内的一定点,动点P使OP=OA λ(AB AC),则动点P的轨迹一定通过△ABC的 .
  点拨:条件中涉及的点有:O,P,A,B,C;涉及到的运算有:共起点的两个向量相加,向量的数乘.对等式作移项处理后,涉及到共起点的两个向量相减,至此,等式中涉及到的点由5个减少到4个.
  解:取BC的中点D,由OP=OA λ(AB AC)得:AP=λ(AB AC)=2λAD.说明A、P、D三点共线,又AD为△ABC的中线,点P在△ABC的中线所在的直线上,故动点P的轨迹一定通过△ABC的重心.
  题2:已知O是平面上一定点,A、B、C是平面上不共线的三个点,动点P满足OP=OA λ(AB|AB| AC|AC|),则P的轨迹一定通过△ABC的 .
  解:AB|AB|是AB方向上的单位向量,AC|AC|是AC方向上的单位向量,根据平行四边形法则,点P在△ABC的角平分线所在的直线上,动点P的轨迹一定通过△ABC的内心.
  评注:题1、题2考查最基本的向量的线性运算,所涉及的知识点也比较单一,需要熟练掌握向量加法的平行四边形法则和向量减法法则:平移到同一起点、指向被减向量.
  题3:研究类似条件OP=OA λ(AB|AB|-AC|AC|)的结论.
  点拨:根据前两问的经验,AP=λ(AB|AB|-AC|AC|),等式右边如果不作处理,是共起点的两个单位向量相减.因此,可以先作一个简单处理:减去一个向量相当于加上这个向量的相反向量.
  解:AB|AB|―AC|AC|=AB|AB| CA|CA|,它是以单位向量AB|AB|和CA|CA|为两条邻边的菱形的对角线,即∠BAC的外角平分线,因此P为△ABC的外角平分线上的一点,动点P的轨迹一定通过△ABC的旁心.
  题4:研究类似条件OP=OA λ(ABsinC ACsinB)的結论.
  点拨:本题向量与三角相结合,考查的内容不单一,结合正弦定理处理.
  解:由sinC=|AB|2R,sinB=|AC|2R,条件转化为题2,即AP=2Rλ(AB|AB| AC|AC|),因此动点P的轨迹一定通过△ABC的内心.
  题5:研究类似条件OP=OA λ(AB|AB|sinB AC|AC|sinC)的结论.
  解:由正弦定理:|AB|·sinB=|AC|·sinC,故OP=OA λ(AB|AB|sinB AC|AC|sinC)=OA λ|AB|sinB(AB AC),由题1知,动点P的轨迹一定通过△ABC的重心.
  评注:题3、题4、题5,相比于题1、题2,思维深度更进一步,需要灵活转化,巧妙结合正弦定理,但是方法还是题1和题2的方法.因此,在数学学习过程中,一定要关注通性、通法的领悟.
  题6:研究类似条件OP=OA λ(AB|AB|cosB AC|AC|cosC)的结论.
  解:根据前几题的解题经验,我们知道AB|AB|cosB AC|AC|cosC应该是一个向量,而最终点P的轨迹主要是取决于这个向量的特点.关键是分母上的cosB和cosC,那么向量的哪一个公式中会出现余弦值呢?自然是数量积.只要把向量AB和AC都点乘BC,cosB和cosC自然就出来了:
  (AB|AB|cosB AC|AC|cosC)·BC=|AB|·|BC|cos(π-B)|AB|cosB |AC|·|BC|cosC|AC|cosC=―|BC| |BC|=0,
  即AB|AB|cosB AC|AC|cosC是与BC垂直的,所以动点P的轨迹一定通过△ABC的垂心.
  题7:研究类似条件OP=OB OC2 λ(AB|AB|cosB AC|AC|cosC)的结论.
  解:由条件知2OP―OB―OC=BP CP=2λ(AB|AB|cosB AC|AC|cosC),由题6可知BP CP垂直于BC,取BC的中点D,即PD垂直于BC,所以动点P的轨迹一定通过△ABC的外心.
  评注:题6和题7的条件结构与前面类似,但是综合考查了线性运算和数量积,有一定的难度,对思维的要求也逐渐提高.在考查通性通法的同时,突出考查思维能力、分析能力和解决问题的能力.因此在平时的数学学习中,不能仅仅满足于课本知识的简单呈现,要注重培养解题能力,提高思维能力和创新能力.
  (作者:赵方方,江苏省天一中学)
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