以圆为背景的平面向量的数量积问题探究

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  根据2009年高考江苏卷数学科《考试说明》,平面向量的数量积为最高级(C级)要求,本文探讨以圆为背景的平面向量数量积问题,以供大家参考.
  1 静态问题
  1.1直接求解型
  例1.在半径为1的圆上按顺序均匀分布着点A1,A2,A3,A4,A5,A6,则
  .
  解析:如图1, ,
  同理可得其余五项均为 ,故所求结果等于3.
  点评:本题用平面向量的数量积定义直接求解,要注意向量的夹角(共起点后形成的角)问题.
  1.2间接求解型
  例2.如图2, 是半圆 的直径, 是弧 的三等分点, 是线段 的三等分点.若 ,则 的值是.
  解析:连结 ,则
  
  点评:用数量积定义直接求解不方便时,通常将其转化成有长度、有夹角的向量,注意圆的几何性质的运用.本题也可通过建立直角坐标系用坐标法求解.
  2 动态问题
  2.1 求范围问题
  例3.如图3,半圆 的直径 ,点 是半圆上异与 两点的任意一点,若点 为半径 上的动点,则 的范围是.
  解析:
  又 ,由基本不等式得
  故 (当且仅当点 为 的
  中点时取等号成立).
  点评:利用圆心为 的中点,将 转化为 ,应当知道求范围问题通常通过构造不等关系来处理,注意基本不等式的运用.
  2.2求值(运动定常)问题
  例4.已知线段 是半径为 的圆 的弦,且 ,试探究 是否为定值(与 的大小无关)?若为定值,请求出;若不为定值,请说明理由.
  解析:可先从特殊情形下手,当弦 为直径时,
  有 ;当 为正三角形时,有 ,
  故猜想 为定值 ,证明如下:
  如图4,过点 作 交 于点 ,则
  .
  点评:运动定常问题通常可先从特殊值或特殊位置入手,进而讨论一般情形,
  注意向量的投影在圆中的运用,这种处理简洁明了.
  例5.已知动直线 不全为 且 与圆 相交与 两点,求 的值.
  解析:如图5, 圆心 到直线不全为 的距离
   , 动直线 是单位圆
   的切线(切点为 ),易得 为
  等腰直角三角形, .
  点评:注意弄清题中的动直线 的本质属性,
  再运用数形结合思想,相信本题的结果不难获得,应当知道 取决于圆 的半径 的大小.
  例6.如图6,已知圆 为 的外接圆,,点 在 轴上,点 为线段 的中点,若 是圆 中绕圆心 运动的一条直径,试探究 是否为定值?若为定值,请求出;若不为定值,请说明理由.
  解析:设点 的坐标为 ,
   中, ,故 ,
  即有 ,求得 ,
  圆 中,易得 ,又点 为线段 的中
  点,故 .探究 是否为定值,可先从特殊位置入手,当 与 重合时, ;当 与 垂直时,有 ,故 ,此时 ,故猜想 为定值 ,证明如下:
  法1(坐标法)
  思路1(设而不求)设 ,当直线 的斜率存在时,不妨设其为 ,则直线 的方程为 ①,又圆 的方程为 ②,由①、②联立方程组消去 得 ,利用根与系数的关系有: ,所以
  ,而,
  则 ,特别地,当直线 的斜率不存在时, ,故总有 .
  思路2:(整体思想) 设 则 ,此时 , ,故 .
  法2(定义法)
  思路3:(化归思想)
  思路4:(利用向量的投影)如图7,延长
   交圆 于点 ,连结 ,则
   .
  点评: 思路1是多数学生在解该题时所想到的一种思路,但有一定的运算量(注意本解答中由①、②联立方程组消去 得到的式子已作简化处理),导致不少学生未能得到最终结果,特别是直线 的斜率是否存在的讨论容易忽略;思路2利用圆的对称性在思路1的基础上优化了设法,进而利用整体思想巧妙求解;思路3由于 、 的长度、夹角均在变化,直接用定义求解不方便,故利用圆的性质将其转化成有长度、有夹角的向量后再求解,这体现了化归的思想.然而,上述三种思路仅是从解题的角度来思考问题,但思路4则是从命题的角度揭示了本题中运动定常的内在原因.
  解后反思:(将上述问题回归到纯几何中考虑)
  给定半径为 的圆 ,直径 绕圆心 旋转,动点 沿给定的方向从圆心 向圆外运动,探究 的变化情况.
  探究:如图8,设定方向为 的方向,下面分三种情形讨论.
  (1)(点 在圆 内)特别地,当动点 与圆心重合时, ,当动点 在圆内且不是圆心时, ,由相交弦定理知 ;
  (2)(点 在圆 上) ;
  (3)(点 在圆 外) ,由切割线定理知 ( 为由点 引圆 的切线长).
  由此可见,例6是基于圆幂定理而提出的探究性问题,当点 从圆心沿定方向向圆外运动时, 变化情况为: ,并且,只要给定点 的位置, 就为定值.
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