向量在研究轨迹问题中的应用

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  新课标实施后,高考越来越注重以向量为背景和载体,与直线、圆、圆锥曲线、三角函数、不等式甚至数列结合命题,因此在高考复习中必须对向量给予高度重视.同时解题时若善用向量为工具可使问题得以简化.本文举例阐述利用向量共线定理和数量积处理共线(平行)与垂直两类动点轨迹问题,供同学们参考.
  问题1:平面上求过两点A(x1,y1),B(x2,y2)的直线l方程
  这是一个直线的“两点式”方程问题,用解析法处理要讨论过A,B两点的直线斜率存在与不存在,即x1=x2与x1≠x2两种情况.但这一问题如果借助于向量就可避免讨论而得出一般的结论.
  简答:设直线l上任一点P(x,y),∵AP与AB共线,即(x-x1,y-y1)∥(x2-x1,y2-y1),∴(x-x1)(y2-y1)=(y-y1)(x2-x1)即为直线l方程
  说明:实际上有关共线或平行的轨迹问题均可借助向量,利用共线向量定理给出比较简洁的处理.
  例1 G为△ABC所在平面上一点,则G为△ABC的重心的充要条件是GA+GB+GC=0
  简证:必要性:∵G为△ABC的重心,∴AG=2GD=GB+GC,
  即-GA=GB+GC,∴GA+GB+GC=0
  充分性:由GA+GB+GC=0得 GB+GC=-GA,取BC中点D,则GB+GC=2GD,∴2GD=-GA即2GD=AG,∴AG=2GD,从而得知G为△ABC的重心.
  例2 已知OA,OB不共线,且OP=xOA+yOB(x,y∈R),则A,B,P三点共线的充要条件是x+y=1
  简证:必要性:∵A,B,P三点共线,∴AP=λAB,∴OP-OA=λ(OB-OA),∴OP=(1-λ)OA+λOB,又∵OP=xOA+yOB,由平面向量基本定理可知:
  x=1-λ,y=λ,∴x+y=1
  充分性:∵x+y=1,∴y=1-x,∴OP=xOA+(1-x)OB=x(OA-OB)+OB,
  ∴OP-OB=x(OA-OB)即BP=xBA,∴BP∥BA,因为BP,BA有公共点B,∴A,B,P三点共线.
  例3 (2011年安徽理21)设λ>0,点A的坐标为(1,1)点在抛物线y=x2上运动,点Q满足BQ=λQA经过点Q与x轴垂直的直线交抛物线于点M点P满足QM=λMP求点P的轨迹方程
  解:由QM=λMP知O,M,P三点在同一条垂直于x轴的直线上,故可设P(x,y),Q(x,y0),M(x,x2),则x2-y0=λ(y-x2),即y0=(1+λ)x2-λy ①
  再设B(x1,y1),由BQ=λQA,即(x-x1,y0-y1)=λ(1-x,1-y0)得
  x1=(1+λ)x-λ
  y1=(1+λ)y0-λ ②
  将①式代入②式消去y0得x1=(1+λ)x-λ
  y1=(1+λ)2x2-λ(1+λ)y-λ ③
  又点B在抛物线y=x2上所以y1=x21再将③代入y1=x21得
  (1+λ)2x2-λ(1+λ)y-λ=(1+λ)2x2-2λ(1+λ)x+λ2
  2λ(1+λ)x-λ(1+λ)y-λ(1+λ)=0
  ∵λ>0 ∴2x-y-1=0,故所过点P的轨迹方程为2x-y-1=0
  说明:这是一道高考压轴题,难度较大,但若抓住两次共线这一特征,借助于向量共线定理,问题就较易处理.
  问题2:平面直角坐标系中,求A(x1,y1),B(x2,y2)以为直径的圆C方程
  这是一个圆的“直径式”方程问题,同学们不必强记,借助于向量,则很快可给出结论.
  设P(x,y)为圆上任一点,∵AB为直径,
  ∴PA⊥PB,∴PA⊥PB,即PA·PB=0
  ∴(x1-x,y1-y)(x2-x,y2-y)=0
  即(x-x1)(x-x2)+(y-y1)(y-y2)=0为圆C方程(直径式方程)
  说明:事实上有关垂直的轨迹问题均可借助向量,利用向量的数量积为零均可给出简捷处理
  例4 求过圆C:(x-a)2+(y-b)2=r2上一点P(x0,y0)的切线方程
  简解:设Q(x,y)为切线上任一点,连CP,
  则CP⊥PQ,∴CP·PQ=0即(x0-a,y0-b)·(x-x0,y-y0)=0∴(x0-a)(x-x0)+(y0-b)(y-y0)=0,即为所求切线方程.
  例5 已知P(x0,y0)为圆O:x2+y2=r2外一点,过P分别作圆的两条切线,
  切点为A、B,求过A、B的直线方程
  简解:连OA,OB,则OA⊥PA,OB⊥PB,设A(x1,y1),B(x2,y2)
  由OA·AP=0得(x1,y1)·(x0-x1,y0-y1)=0
  即x1x0-x21+y1y0-y21=0
  ∵x21+y21=r2,∴x0x1+y0y1=r2,
  同理x0x2+y0y2=r2
  ∴A(x1,y1),B(x2,y2)都在直线x0x+y0y=r2上,
  ∴过切点为A、B的直线方程即为x0x+y0y=r2.
  例6 (2011课标全国卷理20) 在平面直角坐标系xOy中,已知点A(0,-1),B点在直线y=-3上M点满足MB∥OA MA·AB MB·BA M点轨迹为曲线C
  (1) 求曲线C的方程 (2)P为C上的动点,G为C在P点处的切线,求O点到G上距离的最小值
  解:∵MA·AB=MB·AB ∴(MA+MB)·AB=0
  又MB∥OA ∴MB与OA共线,M点又在线段AB的中垂线上
  设M(x,y)由已知得B(x,-3)又A(0,-1)
  ∴MA=(-x,-1-y) MB=(0,-3-y),AB=(x,-2),MA+MB=(-x,-4-2y),
  ∴(-x,-4-2y)·(x,-2)=0得曲线C的方程为y=14x2-2
  (2) 设P(x0,y0)为曲线C:y=14x2-2上一点 ∵y′=12x
  ∴G的斜率为12x0 ∴G方程为y-y0=12x0(x-x0)
  即x0x-2y-2y0-x20=0
  ∴d=|2y0-x20|x20+4=12x20+4x20+4=
  12x20+4+4x20+4≥2
  当且仅当x0=0时取“=” ∴O到G距离的最小值为2
  综上可知,在研究轨迹的共线(平行)与垂直(数量积)问题中向量很给力.
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