小小单位圆,向量“大舞台”

来源 :考试·高考数学版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fa2009
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  每年的高考都离不开平面向量题的“捧场”,尤其是与单位向量有关的平面向量取值范围问题更是命题的“热点”和“亮点”.这类题的构造形式“动感十足”,充分体现了平面向量的几何特征,它的求解思路更是洋溢着数形结合思想的光辉.
  众所周知,单位向量对应的几何对象是单位圆,那么在解题中借助单位圆就可以起到化繁为简、化抽象为直观的效果.如果说平面向量为解决数学问题提供了有力工具的话,那么单位圆就为解决这类问题提供了广阔的“舞台”.向量在单位圆的舞台上翩翩起舞,清楚向量运动的轨迹,明确向量跳的是什么舞就是解决此类问题的“解题秘方”.
  一、 跳起“直线单人舞”
  例1 (2011浙江理)若平面向量α,β满足|α|=1,|β|≤1,且以向量α,β为邻边的平行四边形的面积为12,则α与β的夹角θ的取值范围是.
  解析:如图1所示,在单位圆中,不妨令OA=α(A点别是单位圆与x轴的交点).设OB=β,B(x,y).由于S△AOB=12|OA||y|=12|y|=14y=±12,所以B点在直线y=±12上运动,又因为|β|≤1,所以B点线段PQ或P′Q′上运动(其中P、Q、P′、Q′是直线y=±12和单位圆的交点).因此θ的取值范围是[∠AOQ,∠AOP],即θ=π6,5π6.
  图1
  点评:此题的关键是要抓住运动中的不变量,即无论向量β如何运动,“平行四边形的面积为12”始终不变.通过单位圆可以明确面积不变,则平行四边形的高不变,即向量β的纵坐标不变.利用轨迹思想得知向量β跳的是“直线舞”.
  二、 跳起“圆形单人舞”
  例2 (2011辽宁理)若a、b、c均为单位向量,且a•b=0,(a-c)•(b-c)≤0,则|a+b-c|的最大值为()
  解析:如图2所示,在单位圆中,不妨令OA=a,OB=b (A、B两点分别是单位圆与x轴、y轴的交点),OC=c,则CA=a-c,CB=b-c,a+b=OD,|a+b-c|=|OD-OC|=|CD| .因为(a-c)•(b-c)≤0,所以点C的运动轨迹为劣弧AB,易知当点C与点A或B重合时|CD|取到最大值为1.不仅如此,当点C与OD共线时|a+b-c|取到最小值2-1.
  例3 (2011全国理)设向量a、b、c满足|a|=|b|=1,a•b=-12,〈a-c,b-c〉=60°,则|c|的最大值等于()
  A. 2B. 3
  C. 2D. 1
  解析:如图3所示,在单位圆中,不妨令OA=a,OB=b(A、B两点分别是单位圆与x轴、y轴的交点),其中∠AOB=120°.设OC=c,因为〈a-c,b-c〉=60°,所以A、O、B、C四点共圆,则点C在四边形AOBC的外接圆上运动,易求这个圆的半径也为1.所以当OC恰为这个外接圆的直径是|c|取到最大值2.
  例4 (2010浙江理数)已知平面向量α,β(α≠0,α≠β),满足|β|=1,且α与β-α的夹角为120°,则|α|的取值范围是.
  图4
  解析:如图4所示,在单位圆中,不妨令OB=β(B点是单位圆与x轴的交点).设OA=α,则AB=β-α.因为α与β的夹角为120°,所以∠AOB=60°,那么点A就在以OB为一边的正三角形的外接圆上运动.易知当OA恰好是这个外接圆的直径时|α|的最大,当A点和O点重合是|α|的最小,求得|α|∈0,233.
  点评:以上例题,向量跳的都是“圆形舞”.有在本身单位圆上跳的,也有另起炉灶在新的圆上跳.解题的关键是要充分利用圆的定义和性质.
  三、 跳起“直线、圆形双人舞”
  例5 已知向量α,β,γ满足|α|=1,|α-β|=|β|,(α-γ)•(β-γ)=0.若对每一确定的β,|γ|的最大值和最小值分别为m,n,则对任意β,m-n的最小值是()
  解析:如图5所示,在单位圆中,不妨令OA=α(A点是单位圆与x轴的交点).设OB=β,OC=γ,因为|α-β|=|β|,所以点B在线段OA的垂直平分线上运动,又因为(α-γ)•(β-γ)=0,所以点C在以AB为直径的圆上运动.则当OC恰好过这个圆的圆心时,|γ|取到最值,且m-n=|AB|2.要使m-n最小,则只需|AB|最小.易知当B点恰好是线段OA的中点时|AB|最小,即m-n的最小值为14.
  点评:在本题中有两个动向量,这就使问题变得比较复杂.解题的关键是先分别明确两个向量的运动轨迹,即所跳舞的类型,然后固定一动向量,以静制动,找到问题的突破口.
  (责任编辑:钱德平)
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