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例谈“消点法”解一类平面向量问题


时间:2020-09-21 作者:高用 阅读:


摘要:由消点法证明平面几何问题得到启发,利用向量特有的线性运算将题目涉及的点逐步消去简化问题,或者构造封闭回路,绕开困难点,利用一些几何关系,通过数量积的工具最终达到消点(向量)的目的,从而解决问题.
关键词:消点法 平面向量 几何关系
消点法是张景中院士提出来的一种机械证明平面几何问题的方法,其基本思想就是通过面积工具,将问题涉及的点逐步消去,从而简化图形,解决问题.特别是问题涉及一些位置很难刻画的点的时候,利用消点法处理尤为方便.平面向量中也会经常遇到涉及点多而复杂、或者点的位置难以刻画的问题,使得问题的求解变得困难.从消点法证明平面几何问题的思想中得到启发,利用向量特有的线性运算将题目涉及的点逐步消去简化问题,或者构造封闭回路,绕开困难点,利用一些几何关系,通过数量积的工具最终达到消点(向量)的目的,从而使得问题迎刃而解.
1 利用线性运算消点
例1(2018辽宁联考)已知 是平面上不共线的三点, www.ziyuanku.com的重心,动点 满足 ,则 一定为 www.ziyuanku.com的( )
(A) 边中线的三等分点(非重心)
(B) 边的中点
(C) 边中线的中点
(D)重心
分析该题所涉及的点有 五个点,由于点比较多,使得不容易直接得到点 的位置关系,故先试图消去一些点.
先把 化为整系数方程式,得 ,从而 ,所以 ,作 的中点为 ,则 ,即 ,所以点 边中线的三等分点(非重心).
点评观察所给向量方程式系数的关系,发现等号两边系数是“平衡”(系数和相等)的,则可以通过适当拆分向量,利用向量加、减法运算,可以逐步消去点 ,从而得到 的关系,问题得解.事实上,题中所给的条件“ www.ziyuanku.com的重心”是多余的.
例2(2014高考湖南(理))在平面直角坐标系中, 为原点, ,动点 满足 ,则 的最大值是 .
分析问题 所涉及点较多,向量 不容易表示,故试图消去一些点,简化目标向量是一个基本思路.
图1
如图1, ,记点 关于原点的对称点为 ,则

那么
所以
点评利用向量的线性运算,逐步消去点 ,将目标向量 简化为向量 ,从而转化为圆上一点到定点 的距离求最大值.
例3(2016高考四川(理))在平面内,定点 满足 ,动点 满足 ,则 的最大值是( )
(A) (B) (C) (D)
图2
分析,不难得到 www.ziyuanku.com外接圆圆心,且半径为2, .题中点 的位置较难刻画,故可以试图利用向量的线性运算,消去点 如图2,延长 交圆 与点




所以,
,当且仅当 同向时等号成立,故 的最大值是为
点评通过向量的线性运算,逐步将向量 转化为 ,从而实现了消去点 的想法,又 的模已知,故易求出 的最大值.
2 利用特殊的几何关系消点
图3
2.1 利用中线消点 例4(2018高考天津(理))如图3,在平面四边形 ABCD中,
.
若点 E为边 CD上的动点,则 的最小值为( )
(A) (B) (C) (D)
分析此题易想到用基底法来求解,即将 , 用基底 表示,但从点 的位置可以看出表示 , 比较困难,尝试重新构造闭合回路,消去点
图4
如图4,作 的中点 ,连接 ,则 , .


.
所以,只要求出 的最小值,即点 的距离,至此,就彻底消掉了点 .过点 的垂线,垂足为 ,由几何关系易求得 ,所以 的最小值为
点评通过中线 ,构造闭合回路,于是 , ,在计算数量积 时,因为中点的性质所以有 ,这对于消去点 起到了关键作用.
2.2 利用中垂线消点
例5(2018浙江温州一模)已知△ 的边 的垂直平分线交 于点 ,交 于点 ,若 ,则 的值为( )
(A) (B) (C) (D)
图5
分析的垂直平分线与 的交点,无法刻画该点,所以 无法用基底 表示,故只能通过构造闭合回路,绕开点 ,并试图消去 点. 如图5,连接 ,则



点评通过中线 ,中垂线 ,构造闭合回路,于是 ,在计算数量积 时,由于中垂线的性质,有 ,从而消掉点
例6(2018南昌市重点中学高三段考)已知△ 中, ,点 为△ 所在平面内一点,满足 ,则
分析由题意, 是△ 外接圆的圆心,若考虑用 作基底,由于 位置的特殊性, 难以用 表示出来.故只能通过构造闭合回路,绕开点 ,并试图消去 点.
图6
如图6,作 的中点 ,连接 ,则 的垂直平分线, 为△ 边上的中线,于是


所以,
点评此题的中垂线是隐含条件,通过中线 ,中垂线 ,构造闭合回路,于是 ,在计算数量积 时,利用 ,则有 ,从而消掉点
2.3 利用直角消点
例3 解法2如图7,延长 www.ziyuanku.com交圆周于点 www.ziyuanku.com,连 www.ziyuanku.com,则 www.ziyuanku.com
www.ziyuanku.comwww.ziyuanku.com方向上的投影为 www.ziyuanku.com
www.ziyuanku.comwww.ziyuanku.com方向上的投影为 www.ziyuanku.com
图7
从而 www.ziyuanku.com www.ziyuanku.com
所以 www.ziyuanku.com.
点评通过延长 ,将 转化为 ,从而消去位置难以刻画的点 ,再利用圆内直角关系,很容易求出 ,问题得解.
2.4 利用中点消点(向量)
图8
例7如图8,已知等边 www.ziyuanku.com的边长为2,圆 的半径为1, 为圆 的任意一条直径.求 的最大值. 分析本题涉及的两个向量 不能直接求数量积,则可以考虑利用题目隐含的中点关系,转化向量,从而消去向量
中点 ,连接 ,则有:





,当且仅当 时等号成立,所以 的最大值为3.
点评此题求解的关键是利用两个中点关系 ,最终将两个不知道模和夹角的向量 的数量积转化成了 ,整个求解的思路就是消点 ).
古人云,三十六计走为上计.就是告诉人们,遇到问题和困难不要盲目死磕,要学会审时度势,避其锋芒,迂回前进.向量最大的特点就是能够“绕来绕去”,是能够实现迂回前进的有效工具.平面向量问题中常常遇到涉及的点较多,或者点位置难以刻画的问题,这时候不要强行试图利用基底表示相关向量,而要巧妙利用向量的线性运算法则,以及题目中一些特殊的几何关系,逐步消点,从而化繁为简,或者避开位置难以刻画的点,将难以表示的向量转化为已知向量,便能有效解决问题.



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