平面向量及其应用 · 拓展与经典例题
人教A版(2019)必修第二册 · 河南高二。
这一页收课本正文没细讲、考试却常出现的向量结论,极化恒等式、奔驰定理、等和线、四心的向量表示都在内,配几道典型例题说明怎么用。
1 核心方法梳理
- 遇模先平方。$|\vec a|^2=\vec a\cdot\vec a$,把根号问题化成数量积。
- 遇共线设系数。$\vec a\parallel\vec b$ 就写 $\vec a=\lambda\vec b$,再用基底分解比较系数。
- 遇垂直用点积为零,$\vec a\perp\vec b\iff\vec a\cdot\vec b=0$。
- 遇三角形先选基底。把两条边长所在向量当基底,其余向量全写成它们的线性组合。
- 遇最值想几何意义。模对应线段长,数量积对应投影,画图往往比硬算快。
2 拓展知识
2.1 极化恒等式
向量加减的模的平方差与数量积之间有一条恒等式:
$$ 4\vec a\cdot\vec b=|\vec a+\vec b|^2-|\vec a-\vec b|^2 $$
它把数量积换成两个模的平方差,凡是只给模长、要算数量积的题都能用。几何形式更实用:在 $\triangle ABC$ 中,$M$ 为 $BC$ 的中点,则
$$ \overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=|AM|^2-\frac14|BC|^2 $$
把 $\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{AM}+\overrightarrow{MB}$、$\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AM}+\overrightarrow{MC}=\overrightarrow{AM}-\overrightarrow{MB}$ 代入点积就能得到。已知三边求某个角的数量积,用它可以绕开余弦定理。
2.2 奔驰定理
设 $P$ 是 $\triangle ABC$ 内一点,记 $S_A$、$S_B$、$S_C$ 分别为 $\triangle PBC$、$\triangle PCA$、$\triangle PAB$ 的面积,则
$$ S_A\,\overrightarrow{PA}+S_B\,\overrightarrow{PB}+S_C\,\overrightarrow{PC}=\vec 0 $$
反过来也成立:只要 $x\overrightarrow{PA}+y\overrightarrow{PB}+z\overrightarrow{PC}=\vec 0$ 且 $x,y,z>0$,就有 $S_A:S_B:S_C=x:y:z$。给一个向量等式求面积比,直接读系数就行。这个结论的图形像奔驰车标,因此得名。
2.3 等和线
取两个不共线的向量 $\overrightarrow{OA}$、$\overrightarrow{OB}$,点 $P$ 满足
$$ \overrightarrow{OP}=x\overrightarrow{OA}+y\overrightarrow{OB} $$
若 $x+y$ 为定值 $k$,则 $P$ 的轨迹是一条与 $AB$ 平行的直线。$k=1$ 时正是直线 $AB$ 本身,$k$ 越大直线离 $O$ 越远。据此可把「系数和为定值」翻译成「点在某条平行线上」,再配合距离求参数范围。
2.4 三角形四心的向量表示
设 $O$ 为平面内一点,$\triangle ABC$ 的三边为 $a=BC$、$b=CA$、$c=AB$。
| 心 | 向量特征 |
|---|---|
| 重心 $G$ | $\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}+\overrightarrow{GC}=\vec 0$ |
| 垂心 $H$ | $\overrightarrow{HA}\cdot\overrightarrow{HB}=\overrightarrow{HB}\cdot\overrightarrow{HC}=\overrightarrow{HC}\cdot\overrightarrow{HA}$ |
| 内心 $I$ | $a\,\overrightarrow{IA}+b\,\overrightarrow{IB}+c\,\overrightarrow{IC}=\vec 0$ |
| 外心 $O$ | $|\overrightarrow{OA}|=|\overrightarrow{OB}|=|\overrightarrow{OC}|$ |
重心的式子还能写成 $\overrightarrow{OG}=\dfrac13(\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OC})$。外心的等模条件两边平方,可转成点积方程来解。垂心那条「两两点积相等」由三条高线条件 $\overrightarrow{HA}\perp\overrightarrow{BC}$ 一类推出。
2.5 向量与面积比
若 $\overrightarrow{AP}=\lambda\overrightarrow{AB}+\mu\overrightarrow{AC}$,则
$$ \frac{S_{\triangle PBC}}{S_{\triangle ABC}}=|1-\lambda-\mu|,\qquad \frac{S_{\triangle PCA}}{S_{\triangle ABC}}=|\lambda|,\qquad \frac{S_{\triangle PAB}}{S_{\triangle ABC}}=|\mu| $$
三个比值之和为 $1$,这正是 $P$ 关于 $\triangle ABC$ 的重心坐标。把面积比写成向量系数,是处理剖分、连线交点问题的常规手段。
2.6 共线与垂直的向量证法
证三点 $A$、$B$、$C$ 共线,只需 $\overrightarrow{AB}=k\overrightarrow{AC}$。证两直线垂直,只需方向向量的点积为零。要证一组点落在某图形上,先把条件统一成同一个起点 $O$ 的向量,再作线性比较。以 $O$ 为起点时 $\overrightarrow{OG}=\dfrac13(\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OC})$,用它可快速定位重心。
3 经典例题
例 1(极化恒等式求数量积) 在 $\triangle ABC$ 中,$AB=3$,$AC=2$,$\angle BAC=60^\circ$,$M$ 为 $BC$ 中点,用极化恒等式的几何形式求 $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}$。
解:先用余弦定理求 $BC$:
$$ BC^2=3^2+2^2-2\times3\times2\times\cos60^\circ=9+4-6=7 $$
由中线长公式
$$ AM^2=\frac{2AB^2+2AC^2-BC^2}{4}=\frac{2\times9+2\times4-7}{4}=\frac{19}{4} $$
代入几何形式:
$$ \overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=AM^2-\frac14 BC^2=\frac{19}{4}-\frac74=3 $$
检验:直接算 $3\times2\times\cos60^\circ=3$,一致。
例 2(奔驰定理求面积比) 设 $P$ 为 $\triangle ABC$ 内一点,且 $\overrightarrow{PA}+2\overrightarrow{PB}+3\overrightarrow{PC}=\vec 0$,求 $S_{\triangle PBC}:S_{\triangle PCA}:S_{\triangle PAB}$。
解:由奔驰定理,面积比等于三个系数的比,
$$ S_{\triangle PBC}:S_{\triangle PCA}:S_{\triangle PAB}=1:2:3 $$
例 3(等和线求系数和) 已知 $\overrightarrow{OA}$、$\overrightarrow{OB}$ 不共线,点 $P$ 满足 $\overrightarrow{OP}=x\overrightarrow{OA}+y\overrightarrow{OB}$。若 $P$ 落在直线 $AB$ 上,求 $x+y$。
解:直线 $AB$ 上的点都能写成 $\overrightarrow{OP}=(1-t)\overrightarrow{OA}+t\overrightarrow{OB}$,两系数之和为 $(1-t)+t=1$。所以
$$ x+y=1 $$
例 4(判断三角形的心) 设 $P$ 为 $\triangle ABC$ 所在平面内一点,且 $\overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PB}=\overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC}=\overrightarrow{PC}\cdot\overrightarrow{PA}$,判断 $P$ 是什么心。
解:由 $\overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PB}=\overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC}$,移项得
$$ \overrightarrow{PB}\cdot(\overrightarrow{PA}-\overrightarrow{PC})=0\ \Longrightarrow\ \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{CA}=0 $$
所以 $PB\perp CA$。另两个等式同理给出 $PC\perp AB$、$PA\perp BC$,三条都是高线所在直线,故 $P$ 是垂心。
例 5(重心的坐标) 已知 $\triangle ABC$ 的顶点 $A(1,2)$、$B(3,-1)$、$C(-2,4)$,求重心 $G$ 的坐标,并验证 $\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}+\overrightarrow{GC}=\vec 0$。
解:重心坐标是三个顶点坐标的平均值,
$$ G\left(\frac{1+3-2}{3},\ \frac{2-1+4}{3}\right)=G\left(\frac23,\ \frac53\right) $$
于是
$$ \overrightarrow{GA}=\left(\frac13,\frac13\right),\quad \overrightarrow{GB}=\left(\frac73,-\frac83\right),\quad \overrightarrow{GC}=\left(-\frac83,\frac73\right) $$
三者相加得 $\left(\dfrac13+\dfrac73-\dfrac83,\ \dfrac13-\dfrac83+\dfrac73\right)=(0,0)$,与重心条件相符。
例 6(面积比与共线) 在 $\triangle ABC$ 中,$D$ 在边 $BC$ 上且 $BD:DC=1:2$,用 $\overrightarrow{AB}$、$\overrightarrow{AC}$ 表示 $\overrightarrow{AD}$,并求 $S_{\triangle ABD}:S_{\triangle ABC}$。
解:由比例关系,
$$ \overrightarrow{AD}=\overrightarrow{AB}+\frac13\overrightarrow{BC} =\overrightarrow{AB}+\frac13(\overrightarrow{AC}-\overrightarrow{AB}) =\frac23\overrightarrow{AB}+\frac13\overrightarrow{AC} $$
系数和 $\dfrac23+\dfrac13=1$,说明 $D$ 在 $BC$ 上,符合。两个三角形同高,面积比等于底边之比,
$$ S_{\triangle ABD}:S_{\triangle ABC}=BD:BC=1:3 $$