例谈数形结合解决向量问题

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  摘要:向量是高中数学中重要的章节,是代数与几何的交汇点,也是历年高考中必考的内容,因此无论从教学到应试都强调注重向量基本知识和基本方法的考察。
  关键词:向量;数形;数学
  数形结合是常用數学方法之一,而向量兼具了代数和几何的双重特征,因而在解决向量问题时常利用这一重要思想方法。下面就简单谈一谈利用数形结合的思想解决相关向量问题。
  一、 利用平面几何知识
  例1已知OB=(2,0),OC=(2,2),CA=(2cosα,2sinα),则OA与OB的夹角的范围是。
  解:CA的终点A在以点C(2,2)为圆心,2为半径的圆上。OA1,OA2是圆的两条切线,切点为A1,A2。在直角ΔOCA1中,OC=22,CA1=2,所以∠COA1=π6,∠COA2=π6,因为∠COB=π4,所以∠A1OB=π4-π6=π12,∠A2OB=π4 π6=5π12,因此OA与OB的夹角的范围是π12,5π12。
  二、 运用坐标系
  例2如图,在Rt△ABC中,已知BC=a,若长为2a的线段PQ以点A为中点,问:PQ与BC的夹角θ取何值时,BP·CQ的值最大?并求这个最大值。
  分析:思路是通过建立直角坐标系,将问题坐标化。
  解:以直角顶点A为坐标原点,两直角边所在直线为坐标轴建立直角坐标系,设AB=c,AC=b,则A(0,0),B(c,0),C(0,b),P(x,y),Q(-x,-y),于是BP=(x-c,y),CQ=(-x,-y-b),BC=(-c,b),PQ=(-2x,-2y),
  ∴BP·CQ=(x-c)(-x) y(-y-b)=-(x2 y2) cx-by.
  ∵cosθ=PQ·BCPQBC=cx-bya2,∴cx-by=a2cosθ,∴BP·CQ=-a2 a2cosθ.
  故当cosθ=1,即θ=0(PQ与BC方向相同)时,BP·BC的值最大,其最大值为0.
  三、 构造几何模型
  例3已知O是ΔABC内一点,且OA OC=-3OB,求ΔAOB与ΔAOC的面积的比值。
  分析:在ΔABC中,若OA OB OC=0,则不妨设O是正三角形ΔABC的重心,令3OB=OB′,那么O可以看成正三角形AB′C的重心,如此构造正三角形,利用特殊方法求ΔAOB与ΔAOC面积的比值即可。
  解:如图,ΔAB′C是正三角形,O是△AB′C的重心,不妨设OB=1,则OA=OC=3,则S△AOBS△AOC=12×3×1×sin120°12×3×3×sin120°=13。
  下面设计几个练习,有兴趣的读者可以试一试。
  1. 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.
  2. 如图,给定两个长度为1的平面向量OA,OB,它们的夹角为2π3.点C在以O为圆心的AB上移动.若OC=xOA yOB,其中x,y∈R,则x y的最大值为。
  3. 如图,已知正方形ABCD的边长为2,点E为AB的中点.以A为圆心,AE为半径,作圆交AD于点F.若P为劣弧EF上的动点,求PC·PD的最小值.
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