
? 6.2.3向量的數(shù)乘運(yùn)算及其幾何意義
導(dǎo)學(xué)案
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.了解向量數(shù)乘的概念,并理解這種運(yùn)算的幾何意義.
2.理解并掌握向量數(shù)乘的運(yùn)算律,會運(yùn)用向量數(shù)乘運(yùn)算律進(jìn)行向量運(yùn)算
3.理解并掌握兩向量共線的性質(zhì)及其判定方法,并能熟練地運(yùn)用這些知識處理有關(guān)共線向量問題
【自主學(xué)習(xí)】
知識點1 向量數(shù)乘運(yùn)算
實數(shù)λ與向量a的積是一個向量,這種運(yùn)算叫做向量的數(shù)乘,記作λa,
其長度與方向規(guī)定如下:21·世紀(jì)*
(1)|λa|=|λ||a|.
(2)λa(a≠0)的方向
特別地,當(dāng)λ=0或a=0時,0a=0或λ0=0.
知識點2 向量數(shù)乘的運(yùn)算律
(1)λ(μa)=(λμ)a.
(2)(λ+μ)a=λa+μa.
(3)λ(a+b)=λa+λb.
特別地,有(-λ)a=-(λa)=λ(-a);
λ(a-b)=λa-λb.
知識點3 共線向量定理
向量a (a≠0)與b共線,當(dāng)且僅當(dāng)有唯一一個實數(shù)λ,使b=λa.
知識點4 向量的線性運(yùn)算
向量的加、減、數(shù)乘運(yùn)算統(tǒng)稱為向量的線性運(yùn)算,對于任意向量a、b,
以及任意實數(shù)λ、μ1、μ2,恒有:λ(μ1a±μ2b)=λμ1a±λμ2b.
【合作探究】
探究一 向量的數(shù)乘運(yùn)算
【例1】計算:
(1)(-3)×4a;
(2)3(a+b)-2(a-b)-a;
(3)(2a+3b-c)-(3a-2b+c).
解 (1)原式=(-3×4)a=-12a;
(2)原式=3a+3b-2a+2b-a=5b;
(3)原式=2a+3b-c-3a+2b-c=-a+5b-2c.
歸納總結(jié):向量的線性運(yùn)算類似于代數(shù)多項式的運(yùn)算,主要是“合并同類項”、“提取公因式”,但這里的“同類項”、“公因式”指向量,實數(shù)看作是向量的系數(shù).
【練習(xí)1】跟蹤訓(xùn)練1 計算:
(1)6(3a-2b)+9(-2a+b);
(2)6(a-b+c)-4(a-2b+c)-2(-2a+c).
解 (1)原式=18a-12b-18a+9b=-3b.
(2)原式=6a-6b+6c-4a+8b-4c+4a-2c
=(6a-4a+4a)+(8b-6b)+(6c-4c-2c)=6a+2b.
探究二 用已知向量表示未知向量
【例2】如圖所示,已知?ABCD的邊BC,CD的中點分別為K,L,且=e1,=e2,試用e1,e2表示,.
[分析] 利用向量的加法和數(shù)乘運(yùn)算進(jìn)行化簡.
[解] 設(shè)=x,則=x,=e1-x,
===e1-x.
由+=,得x+e1-x=e2,
解方程得x=e2-e1,即=e2-e1.
由=-,=e1-x,
得=x-e1=-e1=-e1+e2.
歸納總結(jié):由已知向量來表示另外一些向量是向量解題的基礎(chǔ),除了要利用向量的加、減、數(shù)乘等線性運(yùn)算外,還應(yīng)充分利用平面幾何的一些定理、性質(zhì),如三角形的中位線定理,相似三角形的對應(yīng)邊成比例等把未知向量轉(zhuǎn)化為與已知向量有直接關(guān)系的向量進(jìn)行求解.
【練習(xí)2】如圖,設(shè)△ABC的重心為M,O為平面上任一點,=a,=b,=c,試用a、b、c表示向量.
解:連接AM并延長交BC于D點.
∵M(jìn)是△ABC的重心,
∴D是BC的中點,且AM=AD.
∴==(+)
=+
=+
=+
=(-)+(-)
=(b-a)+(c-b)
=-a+b+c.
∴=+=a+
=(a+b+c).
探究三 向量共線定理的應(yīng)用
【例3-1】已知e1,e2是不共線的向量,a=3e1+4e2,b=6e1-8e2,則a與b是否共線?
解 若a與b共線,則存在λ∈R,使a=λb,
即3e1+4e2=λ(6e1-8e2),
所以(3-6λ)e1+(4+8λ)e2=0,
因為e1與e2不共線,所以所以λ不存在,
所以a與b不共線.
【例3-2】已知兩個非零向量e1和e2不共線,如果=2e1+3e2,=6e1+23e2,=4e1-8e2,求證:A、B、D三點共線.
證明 ∵=6e1+23e2,=4e1-8e2,
∴=+=(6e1+23e2)+(4e1-8e2)
=10e1+15e2.
又∵=2e1+3e2,∴=5,
∴、共線,且有公共點B.∴A、B、D三點共線.
歸納總結(jié): (1)本題充分利用了向量共線定理,即b與a(a≠0)共線?b=λa,因此用它既可以證明點共線或線共線問題,也可以根據(jù)共線求參數(shù)的值.
(2)向量共線的判斷(證明)是把兩向量用共同的已知向量來表示,進(jìn)而互相表示,從而判斷共線.
【練習(xí)3-1】已知非零向量e1,e2不共線.
(1)如果=e1+e2,=2e1+8e2,=3(e1-e2),求證:,共線;
(2)欲使ke1+e2和e1+ke2共線,試確定實數(shù)k的值.
解 (1)∵=e1+e2,=+=2e1+8e2+3e1-3e2=5(e1+e2)=5.
∴,共線.
(2)∵ke1+e2與e1+ke2共線,
∴存在λ,使ke1+e2=λ(e1+ke2),
即(k-λ)e1=(λk-1)e2,由于e1與e2不共線,
只能有∴k=±1.
【練習(xí)3-2】已知O,A,B是不共線的三點,且=m+n(m,n∈R).
(1)若m+n=1,求證:A,P,B三點共線;
(2)若A,P,B三點共線,求證:m+n=1.
證明 (1)若m+n=1,
則=m+(1-m)=+m(-),
∴-=m(-),
即=m,∴與共線.
又∵與有公共點B,則A,P,B三點共線.
(2)若A,P,B三點共線,則存在實數(shù)λ,使=λ,
∴-=λ(-).
又=m+n.
故有m+(n-1)=λ-λ,
即(m-λ)+(n+λ-1)=0.
∵O,A,B不共線,∴,不共線,
∴∴m+n=1.
課后作業(yè)
A組 基礎(chǔ)題
一、選擇題
1.設(shè)e1,e2是兩個不共線的向量,若向量m=-e1+ke2 (k∈R)與向量n=e2-2e1共線,則( )
A.k=0 B.k=1 C.k=2 D.k=
答案 D
解析 當(dāng)k=時,m=-e1+e2,n=-2e1+e2.
∴n=2m,此時,m,n共線.
2.下列各式計算正確的有( )
①(-7)6a=-42a;②7(a+b)-8b=7a+15b;
③a-2b+a+2b=2a;④4(2a+b)=8a+4b.
A.1個 B.2個 C.3個 D.4個
答案 C
3.已知△ABC的三個頂點A,B,C及平面內(nèi)一點P,且++=,則( )
A.P在△ABC內(nèi)部
B.P在△ABC外部
C.P在AB邊上或其延長線上
D.P在AC邊上
答案 D
解析?。剑?,
∴=-2,∴P在AC邊上.
4.設(shè)D,E,F(xiàn)分別為△ABC的三邊BC,CA,AB的中點,則+等于( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析
如圖,+
=+++
=+=(+)
=·2=.
5.已知向量a,b,設(shè)=a+2b,=-5a+6b,=7a-2b,那么下列各組中三點一定共線的是( )
A.A,B,C B.A,C,D
C.A,B,D D.B,C,D
答案 C
解析 由向量的加法法則知=+=-5a+6b+7a-2b=2(a+2b)=2,又兩線段均過點B,故A,B,D三點一定共線21-cn-jy.co
6.已知m,n是實數(shù),a,b是向量,則下列命題中正確的為( )
①m(a-b)=ma-mb;②(m-n)a=ma-na;
③若ma=mb,則a=b;④若ma=na,則m=n.
A.①④ B.①②
C.①③ D.③④
答案 B
解析?、俸廷趯儆跀?shù)乘對向量與實數(shù)的分配律,正確;③中,若m=0,則不能推出a=b,錯誤;④中,若a=0,則m,n沒有關(guān)系,
7.已知△ABC和點M滿足++=0.若存在實數(shù)m使得+=m成立,則m的值為( )
A.2 B.3 C.4 D.5
答案 B
解析 ∵++=0,
∴點M是△ABC的重心.
∴+=3,∴m=3.
二、填空題
8.已知?ABCD的對角線AC和BD相交于點O,且=a,=b,則=________,=________.(用a,b表示)
答案 b-a -a-b
解析 如圖,==-=b-a,
=-=--=-a-b.
9.在平行四邊形ABCD中,若|+|=|-|,則四邊形ABCD的形狀為________.
答案 矩形
解析 如圖,因為+=,
-=,
所以||=||.
由對角線長相等的平行四邊形是矩形可知,四邊形ABCD是矩形.
10.如圖所示,設(shè)M,N為△ABC內(nèi)的兩點,且=+,=+,則△ABM的面積與△ABN的面積之比為________.
答案 2∶3
解析
如圖所示,設(shè)=,=,
則=+.
由平行四邊形法則知,MQ∥AB,
∴==.
同理=.∴=
三、解答題
11.如圖,ABCD為一個四邊形,E、F、G、H分別為BD、AB、AC和CD的中點,求證:四邊形EFGH為平行四邊形.
證明 ∵F、G分別是AB、AC的中點.
∴=.
同理,=.
∴=.
∴四邊形EFGH為平行四邊形.
12.已知e1,e2是兩個非零不共線的向量,a=2e1-e2,b=ke1+e2,若a與b是共線向量,求實數(shù)k的值.
解 ∵a與b是共線向量,∴a=λb,
∴2e1-e2=λ(ke1+e2)=λke1+λe2,
∴∴∴k=-2.
13.設(shè)e1,e2是兩個不共線的向量,=2e1+ke2,=e1+3e2,=2e1-e2,若A,B,D三點共線,求k的值.
解 若A,B,D三點共線,則與共線,
所以可設(shè)=λ.
又因為=-
=(2e1-e2)-(e1+3e2)=e1-4e2,
所以2e1+ke2=λ(e1-4e2),
即(4λ+k)e2=(λ-2)e1,
因為e1,e2是兩個不共線的向量,
若4λ+k≠0,則e2=e1,
于是e1與e2是共線向量,與已知條件矛盾;
若λ-2≠0,則e1=e2,
于是e1與e2是共線向量,與已知條件矛盾,
所以 故λ=2,k=-8.
14.如圖所示,在平行四邊形ABCD中,點M是AB的中點,點N在BD上,且BN=BD.
求證:M、N、C三點共線.
證明 設(shè)=a,=b,則由向量減法的三角形法則可知:=-=-=a-b.
又∵N在BD上且BD=3BN,
∴==(+)=(a+b),
∴=-=(a+b)-b
=a-b=,
∴=,
又∵與的公共點為C,
∴C、M、N三點共線.
B組 能力提升
一、選擇題
1.在△ABC中,AD為BC邊上的中線,E為AD的中點,則=( )
A.- B.-
C.+ D.+
【答案】A
【解析】作出示意圖如圖所示.=+=+=×(+)+(-)=-.
2.在四邊形ABCD中,=,AC與BD交于點O,E是線段OD的中點,AE的延長線與CD交于點F,則( )
A.=+ B.=+
C.=+ D.=+
【解析】
在四邊形ABCD中,如圖所示,因為=,所以四邊形ABCD為平行四邊形.由已知得=,由題意知△DEF∽△BEA,則=,所以==(-)=×=,所以=+=+=+,故選B.
【答案】B
3.如圖,在直角梯形ABCD中,=,=2,且=r+s,則2r+3s=( )
A.1 B.2
C.3 D.4
【解析】 法一:由題圖可得=+=+=+(++)=+(+)=+(+)=+.
因為=r+s,所以r=,s=,則2r+3s=1+2=3.
法二:因為=2,所以-=2(-),整理,得=+=+(+)=+,以下同法一.
法三:如圖,延長AD,BC交于點P,則由=得DC∥AB,且AB=4DC.
又=2,所以E為PB的中點,且=.
于是,=(+)==+.以下同法一.
法四:如圖,建立平面直角坐標(biāo)系xAy,依題意可設(shè)點B(4m,0),D(3m,3h),E(4m,2h),其中m>0,h>0.
由=r+s,得(4m,2h)=r(4m,0)+s(3m,3h),
所以解得
所以2r+3s=1+2=3.
【答案】C
4.如圖,已知=,用,表示,則等于( )
A.-
B.+
C.-+
D.--
【答案】C
【解析】=+=+=+(-)=-+.故選C.
5.在△ABC中,AB=2,BC=3,∠ABC=60°,AD為BC邊上的高,O為AD的中點,若=λ+μ,其中λ,μ∈R,則λ+μ等于( )
A.1 B.
C. D.
【答案】D
【解析】由題意易得=+=+,所以2=+,即=+.
故λ+μ=+=.
6.已知A,B,C三點不共線,且點O滿足16-12-3=0,則( )
A.=12+3 B.=12-3
C.=-12+3 D.=-12-3
【答案】A
【解析】對于A,=12+3=12(-)+3(-)=12+3-15,整理,可得16-12-3=0,這與題干中條件相符合,故選A.
7.如圖,在△ABC中,=,=,若=λ+μ,則的值為( )
A.-3 B.3
C.2 D.-2
【答案】B
【解析】因為=+,==(-)=-=×-=-,
所以=+=+.又=λ+μ,所以λ=,μ=,所以=×=3.故選B.
8.已知向量a,b不共線,且c=λa+b,d=a+(2λ-1)b,若c與d反向共線,則實數(shù)λ的值為( )
A.1 B.-
C.1或- D.-1或-
【答案】B
【解析】由于c與d反向共線,則存在實數(shù)k使c=kd(k<0),于是λa+b=k[a+(2λ-1)b].整理得λa+b=ka+(2λk-k)b.由于a,b不共線,所以有整理得2λ2-λ-1=0,解得λ=1或λ=-.又因為k<0,所以λ<0,故λ=-.
二、填空題
9.已知O為△ABC內(nèi)一點,且2=+,=t,若B,O,D三點共線,則t的值為________.
【解析】設(shè)線段BC的中點為M,則+=2.
因為2=+,所以=,
則==(+)==+.
由B,O,D三點共線,得+=1,解得t=.
【答案】
10.在△ABC中,∠A=60°,∠A的平分線交BC于點D,若AB=4,且=+λ(λ∈R),則AD的長為________.
【解析】因為B,D,C三點共線,所以+λ=1,解得λ=,如圖,過點D分別作AC,AB的平行線交AB,AC于點M,N,則=,=,因為△ABC中,∠A=60°,∠A的平分線交BC于點D,所以四邊形AMDN是菱形,因為AB=4,所以AN=AM=3,AD=3.
【答案】3
11.在△ABC中,點D是邊BC上任意一點,M是線段AD的中點,若存在實數(shù)λ和μ,使得=λ+μ,則λ+μ=________.
【解析】如圖,因為點D在邊BC上,所以存在t∈R,使得=t=t(-).因為M是線段AD的中點,所以=(+)=(-+t-t)=-(t+1)·+t.又=λ+μ,所以λ=-(t+1),μ=t,所以λ+μ=-.
【答案】-.
12.已知P為△ABC所在平面內(nèi)一點,++=0,||=||=||=2,則△ABC的面積為________.
【解析】因為++=0,所以=-(+).由平行四邊形法則可知,以,為邊組成的平行四邊形的一條對角線與反向,且長度相等.因為||=||=||=2,所以以,為邊的平行四邊形為菱形,且除BC外的另一條對角線長為2,所以BC=2,∠ABC=90°,所以S△ABC=AB·BC=×2×2=2.
【答案】2
三、解答題
13.在如圖所示的方格紙中,向量a,b,c的起點和終點均在格點(小正方形頂點)上,若c與xa+yb(x,y為非零實數(shù))共線,求的值.
【解析】設(shè)e1,e2分別為水平方向(向右)與豎直方向(向上)的單位向量,則向量c=e1-2e2,a=2e1+e2,b=-2e1-2e2,由c與xa+yb共線,得c=λ(xa+yb),所以e1-2e2=2λ(x-y)e1+λ(x-2y)e2,所以所以所以的值為.
14.經(jīng)過△OAB重心G的直線與OA,OB分別交于點P,Q,設(shè)=m,=n,m,n∈R,求+的值.
【解析】設(shè)=a,=b,則=(a+b),
=-=nb-ma,
=-=(a+b)-ma=a+b.
由P,G,Q共線得,存在實數(shù)λ使得=λ,
即nb-ma=λa+λb,
則消去λ,得+=3.
C組 挑戰(zhàn)壓軸題
一、選擇題
1.如圖,在△ABC中,點D在線段BC上,且滿足BD=DC,過點D的直線分別交直線AB,AC于不同的兩點M,N若=m,=n,則( )
A.m+n是定值,定值為2
B.2m+n是定值,定值為3
C.+是定值,定值為2
D.+是定值,定值為3
【答案】D
【解析】法一:如圖,過點C作CE平行于MN交AB于點E.由=n可得=,所以==,由BD=DC可得=,所以==,因為=m,所以m=,整理可得+=3.
法二:因為M,D,N三點共線,所以=λ+(1-λ)·.又=m,=n,所以=λm+(1-λ)·n.又=,所以-=-,所以=+.比較系數(shù)知λm=,(1-λ)n=,所以+=3,故選D.
2.已知O是平面內(nèi)一定點,A、B、C是平面上不共線的三個點,動點P滿足=+λ(+)(λ∈[0,+∞)),則點P的軌跡一定通過△ABC的( )
A.外心 B.內(nèi)心
C.重心 D.垂心
答案 B
解析 為上的單位向量,為上的單位向量,則+的方向為∠BAC的角平分線的方向.
又λ∈[0,+∞),∴λ(+)的方向與+的方向相同.而=+λ(+),
∴點P在上移動.
∴點P的軌跡一定通過△ABC的內(nèi)心.
3.A,B,C是圓O上不同的三點,線段CO與線段AB交于點D(點O與點D不重合),若=λ+μ(λ,μ∈R),則λ+μ的取值范圍是( )
A.(0,1) B.(1,+∞)
C.(1,] D.(-1,0)
答案 B
解析 設(shè)=m,則m>1,
因為=λ+μ,
所以m=λ+μ,
即=+,
又知A,B,D三點共線,
所以+=1,即λ+μ=m,
所以λ+μ>1,故選B.
4.在中,為上一點,,為上任一點,若,則的最小值是( )
A.9 B.10
C.11 D.12
【答案】D
【解析】由題意可知:,
三點共線,則:,據(jù)此有:
,
當(dāng)且僅當(dāng)時等號成立.
綜上可得:的最小值是12.
本題選擇D選項.
二、填空題
5.在△ABC中,點D在線段BC的延長線上,且=3,點O在線段CD上(與點C,D不重合),若=x+(1-x),則x的取值范圍是________.
【解析】設(shè)=y(tǒng),因為=+=+y=+y(-)=-y+(1+y).
因為=3,點O在線段CD上(與點C,D不重合).
所以y∈,
因為=x+(1-x),
所以x=-y,所以x∈.
【答案】
6.已知為直線上的不同三點,為外一點,存在實數(shù),使得成立,則的最小值為__________.
【答案】16
【解析】∵為直線上的不同三點,且,
∴,又,
∴,
當(dāng)且僅當(dāng)即時等號成立,∴的最小值為16,故答案為:16
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