平面几何中的向量方法

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  向量是近代数学中重要和基本的数学概念之一,它是沟通代数、几何的一种工具,有着丰富的实际背景.用向量方法解决平面几何问题有三步:
  (1)建立平面几何与向量的联系,用向量表示问题中涉及的几何元素,将几何问题转化为向量问题;
  (2)通过向量运算,研究几何元素之间的关系,如距离、夹角等问题;
  (3)把向量运算结果翻译成几何关系.
  简述:形到向量→向量的运算→向量和数到形.
  解决平面几何问题时可以从向量的两种运算——基底运算和坐标运算入手,把平面几何问题用代数计算解决,降低几何构造中的难度.下面对用“向量法”解决平面几何问题举例加以说明.
  例1已知P为正方形ABCD的对角线AC上的任意一点,PE⊥AB于点E,PF⊥BC于点F,连接DP,EF.求证:DP⊥EF.
  解法一设AB=a,AD=b,|a|=|b|=1且a·b=0,则DP=DA λAC=-b λ(a b)=(λ-1)b λa.
  ∵EF=EP PF=λBC (1-λ)AB=λb (1-λ)a.
  又∵DP·EF=[(λ-1)b λa]·[λb (1-λ)a]
  =(λ2-λ)b2-(λ-1)2b·a λ2b·a (λ-λ2)a2
  =0,
  ∴DP⊥EF.
  解法二如图所示,建立平面直角坐标系,则A(0,0),B(1,0),D(0,1),若设P(a,a)(0  ∴DP=(a,a-1),
  EF=(1-a,a),
  ∴DP·EF=a(1-a) (a-1)a=a-a2 a2-a=0,
  ∴DP⊥EF.
  例2已知等腰三角形ABC中,D,E分别是两腰AB,AC的中点,若CD⊥BE,则∠A是否为定值,并证明你的结论.
  解法一设AB=a,AC=b,且|a|=|b|,
  则CD=12a-b,BE=12b-a.
  又∵CD⊥BE,即CD·BE=0,
  12a-b·12b-a=0,
  化简得a·b=45a2=45|a|2,
  ∴cosA=a·b|a||b|=45,
  ∴∠A是定值.
  解法二如图所示,建立平面直角坐标系,可设A(0,b),B(-a,0),C(a,0),
  ∵D,E为AB,AC的中点,则
  D-a2,b2,Ea2,b2,
  ∴CD=-3a2,b2,
  BE=3a2,b2.
  又∵CD⊥BE,即CD·BE=0,
  ∴-94a2 14b2=0,则b2=9a2.
  ∵AB=(-a,-b),AC=(a,-b),
  ∴cosA=AB·AC|AB||AC|=-a2 b2a2 b2=8a210a2=45,
  ∴∠A是定值.
  总之,向量是近代数学中重要和基础的数学概念之一,它既是幾何对象也是代数对象,因而成为数形结合的桥梁,成为沟通代数、几何的得力工具.它之所以有用,关键是它具有一套良好的运算性质,可以使复杂问题简单化、直观化,使代数问题几何化、几何问题代数化.正是由于向量所特有的数形二重性,使它成为高中数学知识的一个交汇点,成为联系多项内容的媒介,在高中数学中有广泛的应用.
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