高中数学竞赛教材讲义 第八章 平面向量

第八章平面向量一、基础知识定义1既有大小又有方向的量，称为向量。画图时用有向线段来表示，线段的长度表示向量的模。向量的符号用两个大写字母上面加箭头，或一个小写字母上面加箭头表示。书中用黑体表示向量，如a.|a|表示向量的模，模为零的向量称为零向量，规定零向量的方向是任意的。零向量和零不同，模为1的向量称为单位向量。定义2方向相同或相反的向量称为平行向量（或共线向量），规定零向量与任意一个非零向量平行和结合律。定理1向量的运算，加法满足平行四边形法规，减法满足三角形法则。加法和减法都满足交换律和结合律。定理2非零向量a,b共线的充要条件是存在实数0，使得a=.bf定理3平面向量的基本定理，若平面内的向量a,b不共线，则对同一平面内任意向是c，存在唯一一对实数x,y，使得c=xa+yb，其中a,b称为一组基底。定义3向量的坐标，在直角坐标系中，取与x轴，y轴方向相同的两个单位向量i,j作为基底，任取一个向量c，由定理3可知存在唯一一组实数x,y，使得c=xi+yi，则（x,y）叫做c坐标。定义4向量的数量积，若非零向量a,b的夹角为，则a,b的数量积记作a·b=|a|·|b|cos=|a|·|b|cosa,b，也称内积，其中|b|cos叫做b在a上的投影（注：投影可能为负值）。定理4平面向量的坐标运算：若a=(x1,y1),b=(x2,y2)，1．a+b=(x1+x2,y1+y2),a-b=(x1-x2,y1-y2)，2．λa=(λx1,λy1),a·(b+c)=a·b+a·c，3．a·b=x1x2+y1y2,cos(a,b)=222221212121yxyxyyxx(a,b0),4.a//bx1y2=x2y1,abx1x2+y1y2=0.定义5若点P是直线P1P2上异于p1，p2的一点，则存在唯一实数λ，使21PPPP，λ叫P分21PP所成的比，若O为平面内任意一点，则121OPOPOP。由此可得若P1，P，P2的坐标分别为(x1,y1),(x,y),(x2,y2)，则..1121212121yyyyxxxxyyyxxx定义6设F是坐标平面内的一个图形，将F上所有的点按照向量a=(h,k)的方向，平移|a|=22kh个单位得到图形'F，这一过程叫做平移。设p(x,y)是F上任意一点，平移到'F上对应的点为)','('yxp，则kyyhxx''称为平移公式。定理5对于任意向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),|a·b|≤|a|·|b|，并且|a+b|≤|a|+|b|.【证明】因为|a|2·|b|2-|a·b|2=))((22222121yxyx-(x1x2+y1y2)2=(x1y2-x2y1)2≥0，又|a·b|≥0,|a|·|b|≥0，所以|a|·|b|≥|a·b|.由向量的三角形法则及直线段最短定理可得|a+b|≤|a|+|b|.注：本定理的两个结论均可推广。1）对n维向量，a=(x1,x2,…,xn)，b=(y1,y2,…,yn)，同样有|a·b|≤|a|·|b|，化简即为柯西不等式：))((2222122221nnyyyxxx(x1y1+x2y2+…+xnyn)2≥0，又|a·b|≥0,|a|·|b|≥0，所以|a|·|b|≥|a·b|.由向量的三角形法则及直线段最短定理可得|a+b|≤|a|+|b|.注：本定理的两个结论均可推广。1）对n维向量，a=(x1,x2,…,xn),b=(y1,y2,…,yn)，同样有|a·b|≤|a|·|b|，化简即为柯西不等式：))((2222122221nnyyyxxx(x1y1+x2y2+…+xnyn)2。2）对于任意n个向量，a1,a2,…,an，有|a1,a2,…,an|≤|a1|+|a2|+…+|an|。二、方向与例题1．向量定义和运算法则的运用。例1设O是正n边形A1A2…An的中心，求证：.21OOAOAOAn【证明】记nOAOAOAS21，若OS，则将正n边形绕中心O旋转n2后与原正n边形重合，所以S不变，这不可能，所以.OS例2给定△ABC，求证：G是△ABC重心的充要条件是.OGCGBGA【证明】必要性。如图所示，设各边中点分别为D，E，F，延长AD至P，使DP=GD，则.2GPGDAG又因为BC与GP互相平分，所以BPCG为平行四边形，所以BG//PC，所以.CPGB所以.OPGCPGCGCGBGA充分性。若OGCGBGA，延长AG交BC于D，使GP=AG，连结CP，则.PGGA因为OPCPGGC，则PCGB，所以GB//CP，所以AG平分BC。同理BG平分CA。所以G为重心。例3在凸四边形ABCD中，P和Q分别为对角线BD和AC的中点，求证：AB2+BC2+CD2+DA2=AC2+BD2+4PQ2。【证明】如图所示，结结BQ，QD。因为DQPQDPBQPQBP,，所以2222)()(PQDPPQBPDQBQ=BPPQDPBP22222·PQDPPQ2=.2)(22222222PQDPBPPQDPBPPQDPBP①又因为,,,OQCQABAQABQBCQCBQ同理222222BQQCQABCBA，②222222QDQCQADACD，③由①，②，③可得)(24222222QDBQQACDBCBA2222224)22(2PQBDACPQBPAC。得证。2．证利用定理2证明共线。例4△ABC外心为O，垂心为H，重心为G。求证：O，G，H为共线，且OG：GH=1：2。【证明】首先AMOAAGOAOG32=)2(31)(31OCOBAOOAACABOA).(31OCOBOA其次设BO交外接圆于另一点E，则连结CE后得CE.BC又AHBC，所以AH//CE。又EAAB，CHAB，所以AHCE为平行四边形。所以,ECAH所以OCOBOAOCEOOAECOAAHOAOH，所以OGOH3，所以OG与OH共线，所以O，G，H共线。所以OG：GH=1：2。3．利用数量积证明垂直。例5给定非零向量a,b.求证：|a+b|=|a-b|的充要条件是ab.【证明】|a+b|=|a-b|(a+b)2=(a-b)2a2+2a·b+b2=a2-2a·b+b2a·b=0ab.例6已知△ABC内接于⊙O，AB=AC，D为AB中点，E为△ACD重心。求证：OECD。【证明】设cOCbOBaOA,,，则)(21baOD，.612131)(2131bacbacaOE又cbaCD)(21，所以cbabcaCDOE2121613121cabacba3131311214122231a·(b-c).（因为|a|2=|b|2=|c|2=|OH|2）又因为AB=AC，OB=OC，所以OA为BC的中垂线。所以a·(b-c)=0.所以OECD。4．向量的坐标运算。例7已知四边形ABCD是正方形，BE//AC，AC=CE，EC的延长线交BA的延长线于点F，求证：AF=AE。【证明】如图所示，以CD所在的直线为x轴，以C为原点建立直角坐标系，设正方形边长为1，则A，B坐标分别为（-1，1）和（0，1），设E点的坐标为（x,y），则BE=(x,y-1),)1,1(AC，因为ACBE//，所以-x-(y-1)=0.又因为||||ACCE，所以x2+y2=2.由①，②解得.231,231yx所以.324||,231,2332AEAE设)1,'(xF，则)1,'(xCF。由CF和CE共线得.0231'231x所以)32('x，即F)1,32(，所以2||AF=4+2||32AE，所以AF=AE。三、基础训练题1．以下命题中正确的是__________.①a=b的充要条件是|a|=|b|，且a//b；②(a·b)·c=(a·c)·b；③若a·b=a·c，则b=c；④若a,b不共线，则xa+yb=ma+nb的充要条件是x=m,y=n；⑤若bCDaAB,，且a,b共线，则A，B，C，D共线；⑥a=(8,1)在b=(-3,4)上的投影为-4。2．已知正六边形ABCDEF，在下列表达式中：①ECCDBC；②DCBC2；③EDFE；④FAED2与AC，相等的有__________.3．已知a=y-x,b=2x-y,|a|=|b|=1,a·b=0，则|x|+|y|=__________.4．设s,t为非零实数，a,b为单位向量，若|sa+tb|=|ta-sb|，则a和b的夹角为__________.5．已知a,b不共线，MN=a+kb,MP=la+b，则“kl-1=0”是“M，N，P共线”的__________条件.6．在△ABC中，M是AC中点，N是AB的三等分点，且NABN2，BM与CN交于D，若BMBD，则λ=__________.7．已知OBOA,不共线，点C分AB所成的比为2，OBOAOC，则__________.8．已知OBaOA,=b,a·b=|a-b|=2，当△AOB面积最大时，a与b的夹角为__________.9．把函数y=2x2-4x+5的图象按向量a平移后得到y=2x2的图象，c=(1,-1),若ba，c·b=4，则b的坐标为__________.10．将向量a=(2,1)绕原点按逆时针方向旋转4得到向量b，则b的坐标为__________.11．在Rt△BAC中，已知BC=a，若长为2a的线段PQ以点A为中点，试问PQ与BC的夹角取何值时CQBP的值最大？并求出这个最大值。12．在四边形ABCD中，dDAcCDbBCaAB,,,，如果a·b=b·c=c·d=d·a，试判断四边形ABCD的形状。四、高考水平训练题1．点O是平面上一定点，A，B，C是此平面上不共线的三个点，动点P满足.,0,||||ACACABABOAOP则点P的轨迹一定通过△ABC的________心。2．在△ABC中，bBCaAB,，且a·b0，则△ABC的形状是__________.3．非零向量bOBaOA,，若点B关于OA所在直线对称的点为B1，则1OB=__________.4．若O为△ABC的内心，且OOAOCOBOCOB)2()(，则△ABC的形状为__________.5．设O点在△ABC内部，且OOCOBOA32，则△AOB与△AOC的面积比为__________.6．P是△ABC所在平面上一点，若PAPCPCPBPBPA，则P是△ABC的__________心.7．已知]),0[)(cos1,sin1(),sin,(cosOQOP，则|PQ|的取值范围是__________.8．已知a=(2,1),b=(λ,1)，若a与b的夹角为锐角，则λ的取值范围是__________.9．在△ABC中，O为中线AM上的一个动点，若AM=2，则)(OCOBOA的最小值为__________.10．已知集合M={a|a=(1,2)+λ(3,4),λ∈R}，集合N={a|a=(-2,-2)+λ(4,5),λ∈R},mjMN=__________.11．设G为△ABO的重心，过G的直线与边OA和OB分别交于P和Q，已知OByOQOAxOP,，△OAB与△OPQ的面积分别为S和T，（1）求y=f(x)的解析式及定义域；（2）求ST的取值范围。12．已知两点M（-1，0），N（1，0），有一点P使得PNNMPNPMMNMP,,成公差小于零的等差数列。（1