6.4 平面向量的应用
人教 A 版 · 本节 2 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 11 题 ↓
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本节的知识树
2 概念 · 1 公式 · 1 定理 · 最深 2 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。
考过本节的真题
共 11 道
- 浙江 2009 · q05 与侧面所成的角 · 找影子解直角三角形 / 建系用法向量 / 不作角,点面距除以斜线长经由 中线定理
- 浙江 2009 · q20一个中点撑起三条互相垂直的棱 · 建系算坐标 / 中位线搭平行面与垂面截面 / 不建系的基底向量经由 三角形的中位线定理
- 浙江 2010 · q20翻折不改长度——第一折把 钉在空间里,第二折把 逼上中垂面经由 三角形的中位线定理
- 浙江 2012 · q15题面定住的只有「中线加底边」——所以答案只能是那个把 的位置消掉的量经由 中线定理
- 浙江 2013 · q20一条竖棱把空间劈成两半 · 平行只看 的系数,二面角只看 的影子,经由 三角形的中位线定理
- 浙江 2014 · q08平方一展开就分家 · 经由 中线定理
- 浙江 2015 · q13两条线不相交,就把其中一条搬过去 · 中点连中位线,或建系直接点乘经由 三角形的中位线定理
- 浙江 2017 · q19顶点没定死就别写坐标 · 那一条把 推到了 外面,经由 三角形的中位线定理
- 浙江 2019 · q15两个中点连成中位线 · 两条焦半径一钉死,坐标或余弦定理都能收尾经由 三角形的中位线定理
- 浙江 2019 · q19面面垂直一脚踩出 A₁E⊥底面,线面角缩进过 BC 中点的截面经由 三角形的中位线定理
- 浙江 2022 · q17正八边形上八段距离平方和 · 建系直算,或把顶点配成四条直径经由 中线定理
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
前三节把向量本身讲完了:概念、运算、坐标。这一节开始用它。本节页面上的两页是 §6.4 的开篇与 §6.4.1「平面几何中的向量方法」,回答的问题只有一个——平面几何题怎么改成向量题。
课本给了一句提纲挈领的话,值得抄在这里:
有了运算,向量的力量无限;没有运算,向量就只是一个路标.
这句话点出了向量方法的全部要害:几何图形里的”长度”与”夹角”,正好就是向量的模与数量积。 于是初中那些要靠添辅助线才能看出来的结论,在向量里变成几行代数。
一、三步曲
课本把用向量解平面几何题的流程明写成三步,照抄如下(这是本节唯一需要背下来的东西):
- 建立联系:用向量表示题中涉及的几何元素,把平面几何问题转化为向量问题;
- 向量运算:通过运算研究几何元素之间的关系,如距离、夹角;
- 翻译回去:把运算结果”翻译”成几何关系。
第 1 步是决定成败的一步,它包含两个动作:
- 选基底。 挑两个不共线的向量当基底(通常取从同一个顶点出发的两条边,如 ),此后图上每个向量都写成它们的线性组合。
- 列出已知。 把题设的边长、平行、垂直、中点、比例逐条翻译成基向量的模、数量积或系数。 例如”正方形边长为 “就是 且 。
第 2 步只有两条工具:
长度问题一律先平方(把模换成数量积再展开),角度问题一律算数量积再除两个模。
第 3 步最容易被忘掉:算出 之后,还要写上”于是 且 “——前者是向量等式,后者才是几何结论,中间隔着一次翻译。
二、两个范例,各示一路
范例一(课本例 1):中位线定理。 是 的中位线,证 且 。
取 为基底。由中点得 、 ,于是
翻译:两个向量成倍数关系 方向相同、长度成比例 且 。
这一路的特征是只用线性运算(加减与数乘),一次数量积都没用——凡是只涉及平行与比例的结论, 都走这条路。
范例二(课本例 2):平行四边形的对角线。 取 、, 则 ,。两条对角线的长度平方分别是
两式相加,交叉项 恰好抵消,得
翻译成一句话:平行四边形两条对角线的平方和,等于四条边的平方和。
这一路的特征是用数量积、并让未知的 自行消掉。这个”相加消交叉项”的动作, 在三角形里就是中线长公式(把平行四边形对折一半),是本节最值钱的一个技巧。
再往前走一步,这条恒等式就能变成一条不等式——高考考的往往是后者。两个数的和已经定死:
右边正是两条对角线平方的平均。而两个数里大的那个,永远不小于它们的平均,于是
一句话:两条对角线的平方,一条在 上面、一条在下面,四条边的平方和被它们夹在中间。 两个等号同时成立当且仅当 (两条对角线一样长,图形是矩形)。这就是 2014 年浙江第 8 题的全部内容, 下面第五节细说。
三、什么时候用向量、什么时候不用
向量方法不是万能的,它有明确的强项与弱项:
强项(优先用向量):
- 结论是”平行 / 共线 / 定比”——线性运算直接给出;
- 结论是”垂直”——数量积为 ,一个式子搞定,不必找辅助线;
- 要算”长度的平方和 / 差”——平方之后交叉项常能抵消;
- 图形里有中点、三等分点、平行四边形——这些条件翻译成向量等式极其干净。
弱项(别硬套):
- 涉及圆的切线、圆周角这类角度的转移,用几何定理更短;
- 需要比较两个不平行方向上的”大小”关系时,向量给不出不等式。
选基底还有一条实用准则:尽量选夹角已知的两个向量。正方形、矩形里选一对邻边(数量积为 , 展开时少一项);一般平行四边形里也选邻边( 未知,但常能抵消)。 若图形里有正交的一对方向,直接建坐标系往往比抽象基底更快——建系就是选了一组特殊的基底, 两者不是两种方法。
四、易错清单
按失分频率排:
- 忘了第 3 步的翻译。 算出向量等式就收笔,没写出几何结论。
- 由 直接断言 ,不排除两者共线。 本节的图里 、 不在直线 上是显然的,但在只给条件不给图的题里要交代一句。
- 基底选了共线的两个向量。 那样表示不唯一,后面全错。基底必须不共线。
- 把 当成 。 模不是可加的;求模一律先平方。
- 数量积当成了向量。 是一个数,不能再与第三个向量作数量积。
- 拿一个特例验证就当成证明。 「下列哪个恒成立」这类题,代一组具体向量进去只能否掉选项,不能选中选项。尤其别挑取等的特例(如 且等长)——那种特例两个方向的选项会同时通过,什么也筛不掉。挑退化的(让某个量变成 )才有力。
- 正方形/矩形里漏用垂直条件。 是这类题里最关键的一条已知, 不写出来展开式就化不下去。
五、这一节考过的真题(怎么用它们)
页面下方”考过本节的真题”是构建期派生的完整清单。先说主的那一道,再补一道”只借了本节一条结论”的:
2022 年第 17 题(正八边形上八段距离平方和)。它的两条解法正好对应本节的两路: 一路建系直算(把每段距离写成 再展开), 一路把顶点配成四条直径、用范例二那个”相加消交叉项”的动作整体处理。 先看第二条:它是本节例 2 那个技巧在高考里的原样重现—— 把待求的平方和拆成若干组”和与差”,交叉项成对抵消,剩下的只是边长的平方。
2014 年浙江第 8 题是范例二那条恒等式最直接的一次出场。题目用 、 的定义作包装, 真正要判的是: 与 谁大(答案:前者不小于后者)。
按第二节末尾那一步,答案是一行:两条对角线平方的平均恰好是 , 取大的那个自然不小于平均。读者可以把它当作例 2 的课后一问来做——所有材料本节都给全了。
这道题还有两个值得记的旁支:
- 它同时考了「模不带平方」的那一半。 另两个选项比的是 与 , 而这两者的大小完全不定——没有平方就没有那条恒等式,只能举反例。 这正好印证第三节说的弱项:向量方法在”长度平方”上极强,在”长度本身”上给不出不等式。
- 反例要挑得毒。 取 且等长时两条对角线一样长, 那一组的两个选项会同时通过(两边相等);换成 , 一条对角线塌成 ,方向错的那个立刻垮掉。这条经验对所有「哪个恒成立」的选择题都成立。
另有一道只借了本节例 1 那条结论——2015 年浙江第 13 题(三棱锥里两条异面直线的夹角)。 它的关键一步是「取 的中点 ,于是 且 」, 用的正是本节例 1 用向量重新证过的那条中位线定理。 值得留意的是它把这条平面结论搬进了立体图形: 是空间里的一个三角形, 但中位线这件事只与三点共面有关,与它躺在哪儿无关—— 这正是”用向量证几何”的好处,证法里一次都没有用到”在纸面上”。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
本节页面上共有 2 道课本习题,都在第 46 页 §6.4.1 末尾的「练习」里,逐题全做。 本节页面不含「习题 6.4」——那一组题排在 §6.4.3 的末尾,归它那一节的详解。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
练习(第 46 页)第 1 题
- 证明:等腰三角形的两个底角相等.
把命题写清楚。 设 中 (顶角在 ),要证两个底角相等,即 。
第一步:用向量表示几何元素。 取 ,。 因为 、、 是三角形的三个顶点, 与 都不是零向量且不共线。 题设 就是
两个底角是三角形的内角,用夹角表示为
即 是从顶点 出发的两条边所对应向量的夹角, 同理。用基向量写出这四个向量:
第二步:向量运算。 先算两个数量积:
由 ,两式相等:
再算两组模的乘积。注意 ,所以 ,于是
又 ,故两式也相等:
这两个乘积都不为 :、 非零给出 ; 与 不共线给出 ,即 。 所以下面这一步可以放心作除法。由 (i)(ii) 得
第三步:翻译回几何。 、 都是三角形的内角,取值范围是 , 而余弦函数在 上单调递减、因而是一一对应的,所以由 得
即等腰三角形的两个底角相等。证毕。
“单调”那一句不能省: 在整个实数集上不是一一对应的(如 ), 只有把角限制在 内才能由余弦相等推出角相等。三角形内角范围正好提供了这个限制。
这道题的关键动作:把”角相等”换成”余弦相等”,而余弦是数量积除以两个模—— 分子由 配平,分母也由它配平,两边同时相等。
练习(第 46 页)第 2 题
- 如下页图,正方形 的边长为 , 是 的中点, 是 边上靠近点 的三等分点, 与 交于点 ,求 的余弦值.
第一步:建立坐标系(也就是选一组正交基底)。 正方形的邻边互相垂直,正好当坐标轴。 以 为原点、 的方向为 轴正方向、 的方向为 轴正方向建系, 则四个顶点是
是 的中点,故 。
是 上靠近 的三等分点,即 。, 所以 ,。
第二步:求交点 。 点 同时在直线 与直线 上,分别写成参数式:
其中 ,。
令两式的坐标分别相等(,可以两边约去 ):
把第一式代入第二式:,即 ,解得 ,从而 。于是
验一下 落在两条线段的内部: 说明 在线段 上、且在 与 之间; 说明 在线段 上、且在 与 之间。两条线段确实相交,交点唯一。 这一步是下一步的前提——只有确认 在 与 之间,射线 的方向才与 同向; 只有确认 在 与 之间,射线 的方向才与 同向。
第三步:算 的余弦。 是射线 与射线 的夹角,即向量 与 的夹角。直接算这两个向量:
两个向量都不是零向量(),夹角有定义。因为正的数乘不改变方向,可以直接用 与 这两个方向向量算余弦:
所以
注意结果与 无关:这是应该的——正方形无论多大,图形都是相似的,角度不变。 在最后一步被约掉,正好是这件事的验算。
再核一遍数量级:,所以 是锐角,约 ; 从图上看 与 张开的口子确实略小于直角,相符。
这道题的关键动作:先把交点真的解出来,再用” 在两条线段内部”把两条射线的方向钉死, 最后才算夹角。若跳过求 、直接拿 与 的夹角当答案, 方向的正负还没有挣得——那两个向量的夹角与 恰好相等只是因为方向都对上了, 这件事必须验过才能用。
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6.4 平面向量的应用
前面我们学习了平面向量的概念和运算,并通过平面向量基本定理,把向量的运算化归为实数的运算。本节我们将学习运用向量方法解决平面几何、物理中的问题,感受向量在解决数学和实际问题中的作用。同时我们还将借助向量的运算,探索三角形边长与角度的关系,把解直角三角形问题拓展到解任意三角形问题。
6.4.1 平面几何中的向量方法
由于向量的线性运算和数量积运算具有鲜明的几何背景,平面几何图形的许多性质,如全等、相似、长度、夹角等都可以由向量的线性运算及数量积表示出来,因此平面几何中的许多问题都可用向量运算的方法加以解决. 下面通过两个具体实例,说明向量方法在平面几何中的应用.
● ●
有了运算,向量的力量无限;没有运算,向量就只是一个路标.
例 1 如图 6.4-1, DE 是 的中位线,用向量方法证明: , .
分析:初中证明过这个结论时要加辅助线,有一定难度. 如果用向量方法证明这个结论,可以取 为基底,用 表示 ,证明 即可.

证明:如图 6.4-2,因为 DE 是 的中位线,所以
从而 又
所以

于是
平面几何经常涉及距离(线段长度)和角度问题,而平面向量的运算,特别是数量积主要涉及向量的模以及向量之间的夹角,因此我们可以用向量方法解决某些几何问题。用向量方法解决几何问题时,通常先用向量表示相应的点、线段、夹角等几何元素,然后通过向量的运算来研究点、线段等元素之间的关系,最后再把运算结果“翻译”成几何关系,便得到几何问题的结论。
用向量方法解决平面几何问题的“三步曲”:
(1)建立平面几何与向量的联系,用向量表示问题中涉及的几何元素,将平面几何问题转化为向量问题;
(2) 通过向量运算, 研究几何元素之间的关系, 如距离、夹角等问题;
(3) 把运算结果 “翻译” 成几何关系.
例 2 如图 6.4-3,已知平行四边形 ABCD,你能发现对角线 AC 和 BD 的长度与两条邻边 AB 和 AD 的长度之间的关系吗?

分析:平行四边形中与两条对角线对应的向量恰是与两条邻边对应的两个向量的和与差,我们可以通过向量运算来探索它们的模之间的关系.
解:第一步,建立平面几何与向量的联系,用向量表示问题中的几何元素,将平面几何问题转化为向量问题:
如图6.4-4,取 为基底,设 , ,则

第二步,通过向量运算,研究几何元素之间的关系:
上面两式相加,得
第三步,把运算结果“翻译”成几何关系:
你能用自然语言叙述这个关系式的意义吗?
练习
-
证明:等腰三角形的两个底角相等.
-
如下页图,正方形 的边长为 , 是 的中点, 是 边上靠近点 的三等分点, 与 交于点 ,求 的余弦值.