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求解平面向量問題何時(shí)用坐標(biāo)法

2017-12-02 03:32:39石寰宇
中學(xué)課程輔導(dǎo)高考版·學(xué)生版 2017年11期
關(guān)鍵詞:建系共線所求

在處理平面向量問題時(shí),若幾何圖形特殊(如正方形,等邊三角形等),易于建系并寫出點(diǎn)的坐標(biāo),則考慮將向量坐標(biāo)化,一旦所求向量用坐標(biāo)表示,則問題往往迎刃而解.

常見的可考慮建系的圖形:關(guān)于向量問題,一旦建立坐標(biāo)系并成功寫出相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo),則問題常常迎刃而解.但難點(diǎn)是如何甄別一道題適合使用建系的方法求解.如果你遇到以下圖形,則可嘗試建系的方法,看能否把問題解決.

1.具備對(duì)稱性質(zhì)的圖形:長(zhǎng)方形,正方形,等邊三角形,圓形.

2.帶有直角的圖形:直角梯形,直角三角形.

3.具備特殊角度的圖形(30°,45°,60°,120°等).

例1(2017年高考課標(biāo)II,理12)已知△ABC是邊長(zhǎng)為2的等邊三角形,P為平面ABC內(nèi)一點(diǎn),則PA·(PB+PC)的最小值是.

解析:以BC為x軸,BC的垂直平分線AD為y軸,D為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖所示的平面直角坐標(biāo)系,則A(0,3),B(-1,0),C(1,0),

設(shè)P(x,y),所以PA=(-x,3-y),PB=(-1-x,-y),PC=(1-x,-y),

所以PB+PC=(-2x,-2y),

PA·(PB+PC)=2x2-2y(3-y)

=2x2+2(y-32)2-32≥-32,

當(dāng)P(0,32)時(shí),所求的最小值為-32.

點(diǎn)評(píng):平面向量中有關(guān)最值問題的求解通常有兩種思路:一是“形化”,即利用平面向量的幾何意義將問題轉(zhuǎn)化為平面幾何中的最值或范圍問題,然后根據(jù)平面圖形的特征直接進(jìn)行判斷;二是“數(shù)化”,即利用平面向量的坐標(biāo)運(yùn)算,把問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)中的函數(shù)最值與值域、不等式的解集、方程有解等問題,然后利用函數(shù)、不等式、方程的有關(guān)知識(shí)來解決.

例2(2016年高考四川理數(shù))在平面內(nèi),定點(diǎn)A,B,C,D滿足|DA|=|DB|=|DC|,DA·DB=DB·DC=DC·DA=-2,動(dòng)點(diǎn)P,M滿足|AP|=1,PM=MC,則|BM|2的最大值是.

解析:由已知易得∠ADC=∠ADB=∠BDC=120°,|DA|=|DB|=|DC|=2.則A、B、C在以D為原點(diǎn),直線DA為x軸建立平面直角坐標(biāo)系,則A(2,0),B(-1,-3),C(-1,3).

設(shè)P(x,y),由已知|AP|=1,得(x-2)2+y2=1,又PM=MC,

∴M(x-12,y+32),∴BM=(x+12,y+332),

∴|BM|2=(x+1)2+(y+33)24,它表示圓(x-2)2+y2=1上點(diǎn)(x,y)與點(diǎn)(-1,-33)距離平方的14(如圖),

∴(|BM|2)max=14(32+(-33)2+1)2=494.

點(diǎn)評(píng):本題考查平面向量的數(shù)量積與向量的模,合理地應(yīng)用圓的定義是解題關(guān)鍵.由于結(jié)論是要求向量模的平方的最大值,因此我們要把它用一個(gè)參數(shù)表示出來,解題時(shí)首先對(duì)條件進(jìn)行化簡(jiǎn)變形,本題中得出∠ADC=∠ADB=∠BDC=120°,且|DA|=|DB|=|DC|=2,因此我們采用解析法,即建立直角坐標(biāo)系,寫出A,B,C,D坐標(biāo),同時(shí)動(dòng)點(diǎn)P的軌跡是圓,|BM|2=(x+1)2+(y+33)24,因此可用圓的性質(zhì)得出最值.

例3已知AC、CE為正六邊形ABCDEF的兩條對(duì)角線,點(diǎn)M,N分別在線段AC、CE上,且使得AM=rAC,CN=rCE,如果B,M,N三點(diǎn)共線,則r的值為.

解析:由題意得,建立如圖所示的直角坐標(biāo)系,設(shè)正六邊形的邊長(zhǎng)為2,則A(0,0),B(2,0),C(3,3),E(0,23),則AB=(2,0),BC=(1,3),AC=(3,3),CE=(-3,3),因?yàn)锳M=rAC,CN=rCE,則AM=(3r,3r),CN=(-3r,3r),

所以BN=BC+CN=(1,3)+(-3r,3r)=(1-3r,3+3r),

BM=BA+AM=(-2,0)+(3r,3r)=(3r-2,3r),

因?yàn)锽,M,N三點(diǎn)共線,所以BN=λBM,即(1-3r,3+3r)=λ(3r-2,3r),

所以1-3r=λ(3r-2)3+3r=λ3r,解得r=33.

點(diǎn)評(píng):A,B,C三點(diǎn)共線問題是常用兩種處理:(1)轉(zhuǎn)化兩個(gè)向量的線性關(guān)系,利用共線定理建立方程(組)來處理相關(guān)問題;(2)在平面另取一點(diǎn)O,處理為OA=xOB+yOC(x+y=1).

例4(2013年重慶高考)在平面上,AB1⊥AB2,|OB1|=|OB2|=1,AP=AB1+AB2,若|OP|<12,則|OA|的取值范圍是.

分析:以AB1⊥AB2為入手點(diǎn),考慮利用坐標(biāo)系求解,題目中|AB1|,|AB2|和O點(diǎn)坐標(biāo)均未知,為了能夠進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)算,將其用字母表示:設(shè)|AB1|=a,|AB2|=b,O(x,y),則B1(a,0),B2(0,b),P(a,b),所求|OA|范圍即為求x2+y2的范圍.下一步將題目的模長(zhǎng)翻譯成a,b,x,y關(guān)系,再尋找關(guān)于x2+y2的不等關(guān)系即可.

解:如圖以AB1,AB2為軸建立坐標(biāo)系:設(shè)|AB1|=a,|AB2|=b,O(x,y),

則B1(a,0),B2(0,b),P(a,b),

∴|OB1|=|OB2|=1|OB1|2=|OB2|2=1(a-x)2+y2=1x2+(y-b)2=1①

|OP|<12|OP|2<14(x-a)2+(y-b)2<14②

與①聯(lián)系可得:

(a-x)2+y2=1x2+(y-b)2=1(a-x)2=1-y2(y-b)2=1-x2,

所以②轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

1-y2+1-x2<14,即x2+y2>74,endprint

另一方面:(a-x)2+y2=1x2+y2-2ax+a2=1,

∴x2+y2+a2=1+2ax,∵2ax≤a2+x2,

∴x2+y2+a2≤1+a2+x2y2≤1,

同理,由x2+(y-b)2=1可得:x2≤1,

∴x2+y2≤2.

綜上所述:74

則72

點(diǎn)評(píng):(1)本題涉及到的點(diǎn)與線段較多,所以難點(diǎn)一方面在于是否能夠想到建系去處理,還有一方面在于選擇哪兩條線作為坐標(biāo)軸.也許有同學(xué)會(huì)從|OB1|=|OB2|=1入手,選擇O為坐標(biāo)原點(diǎn),這樣B1,B2在以原點(diǎn)為圓心的單位圓上,且所求|OA|只需計(jì)算出A的坐標(biāo)即可.但這種選法繼續(xù)做下去會(huì)發(fā)現(xiàn),首先B1,B2在圓上的位置不確定,坐標(biāo)不易寫出,其次無法定位A,P,從而使得條件|OP|<12不便于使用.所以這種建系的方法在解題過程中障礙重重,不利于求解.而利用現(xiàn)有的垂直建系,會(huì)使得A,B1,B2的坐標(biāo)易于表示,進(jìn)而求出P坐標(biāo),只剩一個(gè)不好表示的O點(diǎn),難度明顯低于前一種建系方法.

(2)在坐標(biāo)系建好之后,說明此題主流的解法是用變量,表達(dá)式去解決,所以下一步就要將題目中的條件翻譯成代數(shù)的關(guān)系.正所謂“數(shù)形結(jié)合”時(shí),如果用到的是形,那么就將代數(shù)條件翻譯成幾何特點(diǎn),如果用到的是數(shù),那就要將幾何條件翻譯成代數(shù)的特點(diǎn).所以在“數(shù)形結(jié)合”方法中“翻譯”的步驟是必不可少的.

例5已知單位向量a,b,若a⊥b,且|c-a|+|c-2b|=5,則|c+2a|的取值范圍是.

解析:由題設(shè)單位向量a=(1,0),b=(0,1),c=(x,y),∴c-a=(x-1,y),c-2b=(x,y-2),

∴(x-1)2+y2+x2+(y-2)2=5,即(x,y)到A(1,0)和B(0,2)的距離和為5,即表示點(diǎn)(1,0)和(0,2)之間的線段,|c+2a|=(x+2)2+y2,表示(-2,0)到線段AB上點(diǎn)的距離,最小值是點(diǎn)(-2,0)到直線2x+y-2=0的距離|c+2a|min=65=655,最大值為(-2,0)到(1,0)的距離是3,所以|c+2a|的取值范圍是[655,3].

點(diǎn)評(píng):此類題型通常是給出向量的非坐標(biāo)形式,根據(jù)條件中的向量垂直關(guān)系求其他向量的模,通常有兩種解法:(1)根據(jù)向量的垂直條件轉(zhuǎn)化為關(guān)于所求向量的模的等式,然后通過解方程求得結(jié)果;(2)如果條件中給出的向量比較特殊,可以考慮構(gòu)造特殊的向量,特別設(shè)為具有坐標(biāo)的向量,轉(zhuǎn)化為代數(shù)運(yùn)算來求解.

(作者:石寰宇,江蘇省如皋中學(xué))

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