2019-2020学年高中数学 第2章 平面向量 2.2.3 向量数乘运算及其几何意义教案（含解析）

-1-2.2.3向量数乘运算及其几何意义学习目标核心素养1.了解向量数乘的概念并理解数乘运算的几何意义．(重点)2.理解并掌握向量数乘的运算律，会进行向量的数乘运算．(重点)3.理解并掌握两向量共线的性质和判断方法，并能熟练地运用这些知识处理有关向量共线问题．(难点)4.理解实数相乘与向量数乘的区别．(易混点)1.通过向量的加法得到向量数乘运算的直观感知，过渡出数乘运算，讲授出数乘运算律，养成了学生数学抽象和数学运算的核心素养.2.通过向量共线判断的学习，培养了学生逻辑推理和数据分析的核心素养.1．向量的数乘运算(1)定义：规定实数λ与向量a的积是一个向量，这种运算叫做向量的数乘，记作：λa，它的长度和方向规定如下：①|λa|＝|λ||a|；②当λ＞0时，λa的方向与a的方向相同；当λ＜0时，λa的方向与a的方向相反．(2)运算律：设λ，μ为任意实数，则有：①λ(μa)＝(λμ)a；②(λ＋μ)a＝λa＋μa；③λ(a＋b)＝λa＋λb；特别地，有(－λ)a＝λ(－a)＝－(λa)；λ(a－b)＝λa－λb．2．共线向量定理向量a(a≠0)与b共线，当且仅当有唯一一个实数λ，使得b＝λa．思考：定理中把“a≠0”去掉可以吗？[提示]定理中a≠0不能漏掉．若a＝b＝0，则实数λ可以是任意实数；若a＝0，b≠0，则不存在实数λ，使得b＝λa.3．向量的线性运算向量的加、减、数乘运算统称为向量的线性运算．对于任意向量a，b及任意实数λ，μ1，-2-μ2，恒有λ(μ1a±μ2b)＝λμ1a＋λμ2b．1．若|a|＝1，|b|＝2，且a与b方向相同，则下列关系式正确的是()A．b＝2aB．b＝－2aC．a＝2bD．a＝－2bA[因a，b方向相同，故b＝2a.]2．点C是线段AB靠近点B的三等分点，下列正确的是()A．AB→＝3BC→B．AC→＝2BC→C．AC→＝12BC→D．AC→＝2CB→D[由题意可知：AB→＝－3BC→；AC→＝－2BC→＝2CB→.故只有D正确．]3．化简：2(3a＋4b)－8a＝．－2a＋8b[原式＝6a＋8b－8a＝－2a＋8b.]4．如图，在平行四边形ABCD中，对角线AC与BD交于点O，AB→＋AD→＝λAO→，则λ＝.2[由向量加法的平行四边形法则知AB→＋AD→＝AC→.又∵O是AC的中点，∴AC＝2AO，∴AC→＝2AO→，∴AB→＋AD→＝2AO→，∴λ＝2.]向量的线性运算【例1】(1)若3(x＋a)＋2(x－2a)－4(x－a＋b)＝0，则x＝．(2)化简下列各式：①3(6a＋b)－9a＋13b；②12（3a＋2b）－a＋12b－212a＋38b；③2(5a－4b＋c)－3(a－3b＋c)－7a.(1)4b－3a[由已知得3x＋3a＋2x－4a－4x＋4a－4b＝0，所以x＋3a－4b＝0，所以x-3-＝4b－3a.](2)[解]①原式＝18a＋3b－9a－3b＝9a.②原式＝122a＋32b－a－34b＝a＋34b－a－34b＝0.③原式＝10a－8b＋2c－3a＋9b－3c－7a＝b－c.向量数乘运算的方法(1)向量的数乘运算类似于多项式的代数运算，实数运算中的去括号、移项、合并同类项、提取公因式等变形手段在数与向量的乘积中同样适用，但是这里的“同类项”“公因式”指向量，实数看作是向量的系数．(2)向量也可以通过列方程来解，把所求向量当作未知数，利用解代数方程的方法求解，同时在运算过程中要多注意观察，恰当运用运算律，简化运算．1．(1)化简23（4a－3b）＋13b－14（6a－7b）；(2)已知向量为a，b，未知向量为x，y，向量a，b，x，y满足关系式3x－2y＝a，－4x＋3y＝b，求向量x，y.[解](1)原式＝234a－3b＋13b－32a＋74b＝234－32a＋－3＋13＋74b＝2352a－1112b＝53a－1118b.(2)3x－2y＝a①，－4x＋3y＝b②，由①×3＋②×2得，x＝3a＋2b，代入①得3×(3a＋2b)－2y＝a，所以y＝4a＋3b.所以x＝3a＋2b，y＝4a＋3b.向量共线定理[探究问题]1．如何证明向量a与b共线？提示：要证明向量a与b共线，只需证明存在实数λ，使得b＝λa(a≠0)即可，一般地，把a和b用相同的两个向量m，n表示出来，观察a与b具有倍-4-数关系即可．2．如何证明A，B，C三点在同一直线上？提示：要证三点A，B，C共线，只需证明AB→与BC→或AB→与AC→共线即可．【例2】(1)已知e1，e2是两个不共线的向量，若AB→＝2e1－8e2，CB→＝e1＋3e2，CD→＝2e1－e2，求证：A，B，D三点共线．(2)已知A，B，P三点共线，O为直线外任意一点，若OP→＝xOA→＋yOB→，求x＋y的值．思路点拨：(1)表示出AB→与AD→→证明AB→＝λAD→→A，B，D三点共线(2)A，B，P三点线→AP→＝λAB→→用OA→，OB→表示OP→→观察x＋y的值[解](1)证明：∵CB→＝e1＋3e2，CD→＝2e1－e2，∴BD→＝CD→－CB→＝e1－4e2.又AB→＝2e1－8e2＝2(e1－4e2)，∴AB→＝2BD→，∴AB→∥BD→.∵AB与BD有交点B，∴A，B，D三点共线．(2)由于A，B，P三点共线，所以向量AB→，AP→在同一直线上，由向量共线定理可知，必定存在实数λ使AP→＝λAB→，即OP→－OA→＝λ(OB→－OA→)，所以OP→＝(1－λ)OA→＋λOB→，故x＝1－λ，y＝λ，即x＋y＝1.1．本例(1)中把条件改为“AB→＝e1＋2e2，BC→＝－5e1＋6e2，CD→＝7e1－2e2”，问A，B，C，D中哪三点共线？[解]∵AB→＝e1＋2e2，BD→＝BC→＋CD→＝－5e1＋6e2＋7e1－2e2＝2(e1＋2e2)＝2AB→.∴AB→，BD→共线，且有公共点B，-5-∴A，B，D三点共线．2．本例(1)中条件“AB→＝2e1－8e2”改为“AB→＝2e1＋ke2”且A，B，D三点共线，如何求k的值？[解]因为A，B，D三点共线，则AB→与BD→共线．设AB→＝λBD→(λ∈R)，∵BD→＝CD→－CB→＝2e1－e2－(e1＋3e2)＝e1－4e2，∴2e1＋ke2＝λe1－4λe2.由e1与e2不共线可得2e1＝λe1，ke2＝－4λe2，∴λ＝2，k＝－8.3．试利用本例(2)中的结论判断下列三点共线吗？①OP→＝13OA→＋23OB→；②OP→＝－2OA→＋3OB→；③OP→＝45OA→－15OB→.[解]①中13＋23＝1，∴P，A，B三点共线；②中－2＋3＝1，∴P，A，B三点共线；③中45＋－15＝35≠1，∴P，A，B三点不共线．1．证明或判断三点共线的方法(1)一般来说，要判定A，B，C三点是否共线，只需看是否存在实数λ，使得AB→＝λAC→(或BC→＝λAB→等)即可．(2)利用结论：若A，B，C三点共线，O为直线外一点⇔存在实数x，y，使OA→＝xOB→＋yOC→且x＋y＝1.2．利用向量共线求参数的方法判断、证明向量共线问题的思路是根据向量共线定理寻求唯一的实数λ，使得a＝λb(b≠0)．而已知向量共线求λ，常根据向量共线的条件转化为相应向量系数相等求解．若两向量不共线，必有向量的系数为零，利用待定系数法建立方程，从而解方程求得λ的值．-6-用已知向量表示未知向量【例3】(1)如图，▱ABCD中，E是BC的中点，若AB→＝a，AD→＝b，则DE→＝()A．12a－bB．12a＋bC．a＋12bD．a－12b(2)如图所示，D，E分别是△ABC的边AB，AC的中点，M，N分别是DE，BC的中点，已知BC→＝a，BD→＝b，试用a，b分别表示DE→，CE→，MN→.思路点拨：先用向量加减法的几何意义设计好总体思路，然后利用平面图形的特征和数乘向量的几何意义表示．(1)D[DE→＝DC→＋CE→＝AB→＋－12AD→＝AB→－12AD→＝a－12b.](2)由三角形中位线定理，知DE═∥12BC，故DE→＝12BC→，即DE→＝12a.CE→＝CB→＋BD→＋DE→＝－a＋b＋12a＝－12a＋b.MN→＝MD→＋DB→＋BN→＝12ED→＋DB→＋12BC→＝－14a－b＋12a＝14a－b.1．本例(1)中，设AC与BD相交于点O，F是线段OD的中点，AF的延长线交DC于点G，试用a，b表示AG→.[解]因为DG∥AB，所以△DFG∽△BFA，又因为DF＝12OD＝12×12BD＝14BD，-7-所以DGAB＝DFBF＝13，所以AG→＝AD→＋DG→＝AD→＋13AB→＝13a＋b.2．本例(1)中，若点F为边AB的中点，设a＝DE→，b＝DF→，用a，b表示DB→.[解]由题意a＝AB→－12AD→，b＝12AB→－AD→，解得AB→＝43a－23b，AD→＝23a－43b，所以DB→＝AB→－AD→＝23a＋23b.用已知向量表示其他向量的两种方法(1)直接法．(2)方程法．当直接表示比较困难时，可以首先利用三角形法则和平行四边形法则建立关于所求向量和已知向量的等量关系，然后解关于所求向量的方程．提醒：用已知向量表示未知向量的关键是弄清向量之间的数量关系．2.如图所示，四边形ABCD中，M，N分别是DC，AB的中点，已知AB→＝a，AD→＝b，DC→＝c，试用a，b，c表示BC→，MN→.-8-[解]BC→＝BA→＋AD→＋DC→＝－AB→＋AD→＋DC→＝－a＋b＋c；MN→＝MD→＋DA→＋AN→＝－12DC→－AD→＋12AB→＝－12c－b＋12a＝12a－b－12c.1．实数与向量可以进行数乘运算，但不能进行加减运算，例如λ＋a，λ－a是没有意义的．2．λa几何意义就是把向量a沿着a的方向或反方向扩大或缩小为原来的|λ|倍，向量a|a|表示与向量a同向的单位向量．3．判断两个向量是否共线，关键是能否找到一个实数λ，使b＝λa.若λ存在，则共线；λ不存在，则不共线．4．共线向量定理的应用①证明向量共线：对于向量a与b，若存在实数λ，使a＝λb，则a与b共线(平行)．②证明三点共线：若存在实数λ，使AB→＝λAC→，则A、B、C三点共线．③求参数的值：利用共线向量定理及向量相等的条件列方程(组)求参数的值．特别注意：①证明三点共线问题，应注意向量共线与三点共线的区别与联系，当两向量共线且有公共点时，才能得到三点共线．②若a与b不共线且λa＝μb，则λ＝μ＝0.5．注意记住以下结论并能运用(1)若A，B，P三点共线，则OP→＝xOA→＋yOB→且x＋y＝1.(2)在△ABC中，若D为BC的中点，则AD→＝12(AB→＋AC→)．(3)在△ABC中，若G为△ABC的重心，则GA→＋GB→＋GC→＝0.1．下列命题正确的是()A．若b＝λa，则a与b共线B．若λa＝0，则a＝0C．(－7)·6a＝－42a-9-D．若AB→＝λCD→(λ≠0)，则A，B，C，D四点共线C[A中λ≠0；B中可能λ＝0；D中A，B，C，D可能构成四边形．]2．对于向量a，b有下列表示：①a＝2e，b＝－2e；②a＝e1－e2，b＝－2e1＋2e2；③a＝4e1－25e2，b＝e1－110e2；④a＝e1＋e2，b＝2e1－2e2.其中，向量a，b一定共线的有()A．①②③B．②③④C．①③④D．①②③④A[对于①，b＝－a，有a∥b；对于②，b＝－2a，有a∥b；对于③，a＝4b，有a∥b；对于④，a与b不共线．]3．设a，b是两个不共线的向量．若向量ka＋2b与8a＋kb的方向相反，则k＝．－4[因为向量ka＋2b与8a＋kb的方向相反，所以ka＋2b＝λ(8a＋kb)⇒2＝λk，k＝8λ⇒k＝－4(因为方向相反，所以λ＜0⇒k＜0)．]4．如图所示，已知A