浙江 2008 · 数学 q09

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2008 · 数学 q09 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

(9) 已知 a,ba, b 是平面内两个互相垂直的单位向量, 若向量 cc 满足 (a−c)⋅(b−c)=0(a - c) \cdot (b - c) = 0, 则 ∣c∣\left|c\right| 的最大值是 (A) 1 (B) 2 (C) 2\sqrt{2} (D) 22\frac{\sqrt{2}}{2}

答案

C

本题的知识树

5 概念 · 5 公式 · 1 定理 · 1 题型 · 2 套路 · 2 易错点 · 最深 5 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

两个垂直的单位向量、(a−c)⋅(b−c)=0(a-c)\cdot(b-c)=0 求 ∣c∣|c| 的最大值 · 展开放缩、坐标求轨迹,或一句「弦不过直径」 · 最终答案:C

冷启动:条件里只有一个数量积,先把它拆开

题面:aa、bb 是平面内两个互相垂直的单位向量,向量 cc 满足

(a−c)⋅(b−c)=0(a-c)\cdot(b-c)=0

求 ∣c∣|c| 的最大值。(原卷把三个向量都印成普通的斜体字母 a,b,ca,b,c,照录不改; 读的时候记住它们是向量,a⋅ba\cdot b 是数量积、∣c∣|c| 是模。)

第一件事:已知条件只有三条,全都该翻译成数量积的语言。

∣a∣=∣b∣=1 ⟹ a⋅a=b⋅b=1,a⊥b ⟹ a⋅b=0|a|=|b|=1\ \Longrightarrow\ a\cdot a=b\cdot b=1,\qquad a\perp b\ \Longrightarrow\ a\cdot b=0

第二件事:把那个乘积展开。 数量积对加减法可以像普通乘法一样展开(分配律),四项:

(a−c)⋅(b−c)=a⋅b−a⋅c−c⋅b+c⋅c(a-c)\cdot(b-c)=a\cdot b-a\cdot c-c\cdot b+c\cdot c

代入 a⋅b=0a\cdot b=0、c⋅c=∣c∣2c\cdot c=|c|^{2},条件就变成一条极干净的等式:

∣c∣2=a⋅c+b⋅c=c⋅(a+b)(∗)|c|^{2}=a\cdot c+b\cdot c=c\cdot(a+b) \tag{$\ast$}

这一行是全题的枢纽:左边只含 ∣c∣|c|,右边只含「cc 与那个固定向量 a+ba+b 的数量积」。 下面三条路,分别是把 (∗)(\ast) 往三个方向读。

第三件事:先把 a+ba+b 的模算出来,它是本题唯一的常数。

∣a+b∣2=∣a∣2+2a⋅b+∣b∣2=1+0+1=2⟹∣a+b∣=2|a+b|^{2}=|a|^{2}+2a\cdot b+|b|^{2}=1+0+1=2 \quad\Longrightarrow\quad |a+b|=\sqrt{2}

注意它是 2\sqrt2,不是 22。 两个向量的模不能拆到加减上——∣a+b∣=∣a∣+∣b∣|a+b|=|a|+|b| 只在同向时成立, 而这里 a⊥ba\perp b。选项 B 的 22 就是替这个错误准备的。

以 AB 为直径的圆:两支蓝色箭头 a、b 沿两条坐标轴从原点 O 出发,终点 A、B 由一条虚线相连(这条虚线就是直径);圆上另取一点 C,CA、CB 两条连线在 C 处标着直角记号——这正是条件 (a-c)\cdot(b-c)=0;原点 O 也落在这个圆上(因为 a\perp b),绿色粗线画的是 O 到对径点 a+b 的那条直径,旁注 |c|_{\max}=|OC|=\sqrt{2}(答案 C)

解法一:展开那个数量积,把条件压成 ∣c∣2=c⋅(a+b)|c|^{2}=c\cdot(a+b)

怎么想到的。 (∗)(\ast) 的右边是一个数量积,而数量积有一条天然的上界—— 平面向量的数量积 的定义式 u⋅v=∣u∣∣v∣cos⁡θu\cdot v=|u||v|\cos\theta 里,cos⁡θ≤1\cos\theta\leq 1。 于是右边可以被放大成「两个模的积」,而两个模里有一个正是左边的 ∣c∣|c|,一放缩就自己撞上自己。

① 把条件展开成 (∗)(\ast)。 由 a⋅b=0a\cdot b=0、c⋅c=∣c∣2c\cdot c=|c|^{2}:

0=(a−c)⋅(b−c)=a⋅b−a⋅c−c⋅b+∣c∣2 ⟹ ∣c∣2=c⋅(a+b)0=(a-c)\cdot(b-c)=a\cdot b-a\cdot c-c\cdot b+|c|^{2} \ \Longrightarrow\ |c|^{2}=c\cdot(a+b)

② 右边放缩。 先把 c=0c=0 单独拎出来:那时 ∣c∣=0|c|=0,结论 0≤∣c∣≤20\leq|c|\leq\sqrt2 显然成立。 以下设 c≠0c\neq 0,记 cc 与 a+ba+b 的夹角为 θ\theta(这时夹角才有定义),则

c⋅(a+b)=∣c∣ ∣a+b∣cos⁡θ≤∣c∣ ∣a+b∣=2 ∣c∣c\cdot(a+b)=|c|\,|a+b|\cos\theta\leq|c|\,|a+b|=\sqrt{2}\,|c|

(用到 ∣a+b∣=2|a+b|=\sqrt2,冷启动第三件事已算;∣c∣≥0|c|\geq 0 故乘上去不翻号。)

③ 自己撞自己,解出范围。

∣c∣2≤2 ∣c∣ ⟹ ∣c∣(∣c∣−2)≤0 ⟹ 0≤∣c∣≤2|c|^{2}\leq\sqrt2\,|c| \ \Longrightarrow\ |c|\left(|c|-\sqrt2\right)\leq 0 \ \Longrightarrow\ 0\leq|c|\leq\sqrt2

④ 验等号取得到——这一步不能省。 上界 2\sqrt2 要成立,需要 cos⁡θ=1\cos\theta=1(cc 与 a+ba+b 同向) 且 ∣c∣=2|c|=\sqrt2,也就是 c=a+bc=a+b。代回原条件验一遍:

(a−(a+b))⋅(b−(a+b))=(−b)⋅(−a)=a⋅b=0 ✓\bigl(a-(a+b)\bigr)\cdot\bigl(b-(a+b)\bigr)=(-b)\cdot(-a)=a\cdot b=0\ \checkmark

确实满足。所以最大值就是 2\sqrt2,选 C。

⑤ 顺带一句:下界 00 也取得到。 c=0c=0 时 (a−0)⋅(b−0)=a⋅b=0(a-0)\cdot(b-0)=a\cdot b=0 成立, 所以 ∣c∣|c| 的取值范围是整段 [0,2]\left[0,\sqrt2\right]——满足条件的 cc 有一大片,不是几个孤立的向量。 这件事在下一条路里会看得更清楚。

解法二:取一组坐标,看 cc 的终点跑出什么轨迹

怎么想到的。 题目问的是「最大值」,而最大值总要在一个范围上取;与其抽象地放缩, 不如把满足条件的 cc 全部找出来,看它们长成什么形状。要找「全部」,最顺手的是 向量坐标化。

① 建系:可以直接取 a=(1,0)a=(1,0)、b=(0,1)b=(0,1)。 这不是「取特殊值」—— aa、bb 是一对互相垂直的单位向量,本身就构成一组正交单位基; 把坐标系的两个轴摆成 aa、bb 的方向,题面的每一个条件(两个模、一个垂直、一个数量积) 与所求的 ∣c∣|c| 全都只与长度和夹角有关,转个坐标系一个也不会变。故这样取是无损的。

② 设 c=(x,y)c=(x,y),把条件写成坐标式。 按 向量的坐标运算,

a−c=(1−x, −y),b−c=(−x, 1−y)a-c=(1-x,\,-y),\qquad b-c=(-x,\,1-y) (a−c)⋅(b−c)=(1−x)(−x)+(−y)(1−y)=x2−x+y2−y=0(a-c)\cdot(b-c)=(1-x)(-x)+(-y)(1-y)=x^{2}-x+y^{2}-y=0

③ 这正是 圆的一般方程。 x2+y2−x−y=0x^{2}+y^{2}-x-y=0,配方:

(x−12)2+(y−12)2=12\left(x-\tfrac{1}{2}\right)^{2}+\left(y-\tfrac{1}{2}\right)^{2}=\frac{1}{2}

于是 cc 的终点 CC 在以 M(12,12)M\left(\frac12,\frac12\right) 为心、r=22r=\frac{\sqrt2}{2} 为半径的圆上—— 满足条件的 cc 是一整个圆,这与解法一末尾说的「一大片」对上了。

④ 求 ∣c∣|c| 的最大值 = 求原点到这个圆上的点的最远距离。 先算原点到圆心的距离:

∣OM∣=(12)2+(12)2=22=r|OM|=\sqrt{\left(\tfrac12\right)^{2}+\left(\tfrac12\right)^{2}}=\frac{\sqrt2}{2}=r

∣OM∣|OM| 恰好等于半径——原点就在这个圆上。 于是由「折线不短于直线」(O→M→CO\to M\to C 与 O→CO\to C 比),对圆上任意一点 CC,

∣OC∣≤∣OM∣+∣MC∣=r+r=2r=2|OC|\leq|OM|+|MC|=r+r=2r=\sqrt{2}

⑤ 取等并验证。 等号要求 OO、MM、CC 依次共线,即 CC 是 OO 关于 MM 的对称点 C(1,1)C(1,1)。 代回第③步的圆方程:(1−12)2+(1−12)2=12\left(1-\frac12\right)^{2}+\left(1-\frac12\right)^{2}=\frac12 ✓, 此时 ∣c∣=12+12=2|c|=\sqrt{1^{2}+1^{2}}=\sqrt2。选 C。

⑥ 四个选项在这张图上各是谁。 r=22r=\frac{\sqrt2}{2} 是半径(选项 D)—— 把「原点到圆上最远」误当成半径的人选它;11(选项 A)是 A(1,0)A(1,0)、B(0,1)B(0,1) 到原点的距离, 而这两点确实在圆上(代方程可验),也就是说 c=ac=a、c=bc=b 都是合法解, 随手试出来的解不是最值;22(选项 B)是 ∣a∣+∣b∣|a|+|b|。

解法三:条件就是一个直角——终点落在以 ABAB 为直径的圆上,而原点也在这个圆上

怎么想到的。 一个数量积等于零,几乎总该先读成「垂直」。可 a−ca-c 与 b−cb-c 是什么? 把三个向量画成从同一个原点 OO 出发的箭头,设它们的终点分别是 AA、BB、CC,那么

a−c=OA→−OC→=CA→,b−c=OB→−OC→=CB→a-c=\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{CA}, \qquad b-c=\overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{CB}

(向量的减法就是「终点减起点」的逆用:OA→−OC→=CA→\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{CA}。) 于是题面那个条件原形毕露:

CA→⋅CB→=0⟺点 C 看 A、B 成直角\overrightarrow{CA}\cdot\overrightarrow{CB}=0 \quad\Longleftrightarrow\quad \text{点 }C\text{ 看 }A\text{、}B\text{ 成直角}

① 直角把 CC 锁在一个圆上。 这正是 直径圆的内外看数量积的符号 说的那件事: CA→⋅CB→\overrightarrow{CA}\cdot\overrightarrow{CB} 的符号就是 CC 与「以 ABAB 为直径的圆」的位置关系—— 负在圆内、零在圆上、正在圆外。现在它等于零,所以

C 在以 AB 为直径的圆上C\ \text{在以}\ AB\ \text{为直径的圆上}

② 这个圆有多大。 直径就是 ∣AB∣|AB|,而 AB→=b−a\overrightarrow{AB}=b-a,

∣AB∣2=∣b−a∣2=∣b∣2−2a⋅b+∣a∣2=1−0+1=2⟹∣AB∣=2|AB|^{2}=|b-a|^{2}=|b|^{2}-2a\cdot b+|a|^{2}=1-0+1=2 \quad\Longrightarrow\quad |AB|=\sqrt{2}

③ 关键的一句:原点 OO 也在这个圆上。 因为 a⊥ba\perp b,即 ∠AOB=90∘\angle AOB=90^{\circ}—— OO 同样「看 AA、BB 成直角」,按第①步的同一条判据,OO 也落在这个圆上。 (用数量积写也一样:OA→⋅OB→=a⋅b=0\overrightarrow{OA}\cdot\overrightarrow{OB}=a\cdot b=0。)

④ 于是 ∣c∣|c| 是一条弦,弦长不超过直径。 OO 与 CC 都在圆上,所以线段 OCOC 是这个圆的一条弦:

∣c∣=∣OC∣≤直径=∣AB∣=2|c|=|OC|\leq\text{直径}=|AB|=\sqrt{2}

⑤ 取等:OCOC 就是直径的时候。 此时 CC 是 OO 的对径点,OACBOACB 成为一个正方形 (∠AOB=∠ACB=90∘\angle AOB=\angle ACB=90^{\circ},且 ∣OA∣=∣OB∣=1|OA|=|OB|=1),CC 正是 a+ba+b 的终点, ∣c∣=∣a+b∣=2|c|=|a+b|=\sqrt2。选 C。

这条路一个方程也没解。 从头到尾只用了两句话:「数量积为零 = 看定线段成直角 = 在直径圆上」, 以及「弦不超过直径」。

三条路回头看。 三条路走的是同一件事的三层皮:解法一把条件压成 (∗)(\ast) 后纯代数放缩, 优点是不依赖图、nn 维也照样成立;解法二把条件解成一条圆的方程, 好处是顺带看清了「满足条件的 cc 是一整个圆」——这是另外两条路看不见的全貌, 也是为什么 c=0c=0、c=ac=a、c=bc=b 都合法却都不是最大;解法三最短, 它把「数量积为零」直接读成直角,于是整道题化为一句「弦不超过直径」。

三条路指向同一个内核:条件不是把 cc 定死,而是把它的终点锁在一个恰好过原点的圆上。 一旦看出「原点在圆上」,最大值必是直径——这也是本题与「原点在圆外/圆内」的同类题的分水岭: 原点不在圆上时,最远距离是 ∣OM∣+r|OM|+r,写不成这么漂亮的形式。

四个选项,四种停手的位置。 2\sqrt2(C)是直径;22\frac{\sqrt2}{2}(D)是半径, 也是原点到圆心的距离——把「最远」当成半径就落它;11(A)是 ∣a∣|a|, 也就是随手找到的解 c=ac=a、c=bc=b 给出的模,它们确实满足条件,只是不是最大; 22(B)是 ∣a∣+∣b∣|a|+|b|,把模拆到加减上的结果。

🕳️ 避坑

  • 放缩得到的界必须验取等。 第 ② 步只给出 ∣c∣≤2|c|\leq\sqrt2,这是候选最大值; 必须找出 c=a+bc=a+b 并代回原条件验一遍,才能说「最大值是 2\sqrt2」。 本题等号取得到,但这是验出来的,不是默认的。
  • ∣a+b∣≠∣a∣+∣b∣|a+b|\neq|a|+|b|。 模不能拆到加减上:a⊥ba\perp b 时 ∣a+b∣=2|a+b|=\sqrt2 而非 22。 要算和的模,只有一条路——先平方:∣a+b∣2=∣a∣2+2a⋅b+∣b∣2|a+b|^{2}=|a|^{2}+2a\cdot b+|b|^{2}。
  • 试出一个解 ≠\neq 找到最值。 c=0c=0、c=ac=a、c=bc=b 都满足 (a−c)⋅(b−c)=0(a-c)\cdot(b-c)=0 (前者因为 a⋅b=0a\cdot b=0,后两者因为有一个因子直接变成零向量), 它们给出的 ∣c∣|c| 分别是 00、11、11。满足条件的 cc 有一整个圆那么多, 必须在整个圆上取最大,不能凑到一个就交卷。
  • 原点在圆上,不是圆心。 这是本题最值漂亮的原因,也是最容易搞混的一点: 圆心是 M(12,12)M\left(\frac12,\frac12\right),原点 OO 落在圆周上(∣OM∣=r|OM|=r)。 最远点是 OO 的对径点,距离是直径 2\sqrt2;若误以为原点是圆心, 就会答成半径 22\frac{\sqrt2}{2}(选项 D)。
  • 展开数量积别漏项。 (a−c)⋅(b−c)(a-c)\cdot(b-c) 有四项,中间两项是 −a⋅c-a\cdot c 与 −c⋅b-c\cdot b, 两者都要;最后一项是 c⋅c=∣c∣2c\cdot c=|c|^{2},不是 ∣c∣|c|。

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