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3.6 常见几何图形的向量表示

清华大学出版社教研团队清华大学出版社《新高考数学你真的掌握了吗(第二版)》高中 · 教辅双语助读 (Alt+Y)

通过前面几节的学习,我们一直向同学们灌输一个思想: 在处理向量问题时,优先考虑建系.然而,对于一些特殊问题,比如系数和问题、数量积问题,存在许多固定的几何方法,也就是所谓的套路.通常情况下,用几何法解决这些问题要比使用向量法计算量小得多.因此,掌握一定的几何法也是必要的.

和前两节类似,在本节中我们将重点讲解一些具有明显几何特征的向量问题,这些问题利用几何法比向量法的计算量要小.我们会先通过向量法解析一个例题,让大家具体了解向量法的计算复杂度,然后也会让大家深刻体会到掌握几何法的必要性.

例 3.66

已知定圆 C 的半径为 3, A, B 为圆 C 上两点,且 |overrightarrowAC + toverrightarrowAB| 的最小值为 1,则 |overrightarrowAB| = ____.

查看解析与步骤

把圆心 C 固定在坐标原点,即 C(0,0),圆 C 的方程为 x² + y² = 9.因为 A, B 为圆 C 上两点,令 A(3cos α, 3sin α), B(3cos β, 3sin β),则

overrightarrow A C + t overrightarrow A B = (3 t cos β - 3 t cos α - 3 cos α , 3 t sin β - 3 t sin α - 3 sin α).

于是

| overrightarrow A C + t overrightarrow A B | ^ 2 = 9 [ t ^ 2 + (t + 1) ^ 2 - 2 t (t + 1) cos (α - β) ].

将上式视为以 t 为主元的二次函数,令 f(t) = t² + (t + 1)² - 2t(t + 1)cos (α - β),则

f (t) = [ 2 - 2 cos (α - β) ] t ^ 2 + [ 2 - 2 cos (α - β) ] t + 1.

因为 f(t) 的对称轴为 -1/2,所以 f(t)_(min) = f(-1/2) = 1/2 cos(α - β) + 1/2.由题意可知 |overrightarrowAC + toverrightarrowAB| 的最小值为 1, 所以 f(t)_(min) = 1/9,即 1/2 cos(α - β) + 1/2 = 1/9,解得 cos(α - β) = -7/9.而 overrightarrowAB = (3 cos β - 3 cos α, 3 sin β - 3 sin α),则

| overrightarrow A B | = sqrt 1 8 - 1 8 cos (α - β) = sqrt 1 8 - 1 8 × (- frac 79) = 4 sqrt 2.

所以 |overrightarrowAB| = 4√(2),故填 4√(2) .

通过例3.66的解析,你会发现建立直角坐标系虽然方便,但运算非常烦琐.因此,在本节中,我们不建议通过建立直角坐标系来解决这类问题.在本节中,大部分题目都和例3.66类似,可以建系,但是运理会很麻烦.因此,我们需要考虑用几何法来处理这类题目.

接下来,我们介绍几种常见几何图形的向量表示,包括平行线、圆、平行四边形和三角形.

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