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构造向量解数学问题的一些应用

构造向量解数学问题的一些应用 摘要 本文对中学的距离、面积、体积和不等式求解证明等问题利用向量来求解证明,并对向量的应用作简单归纳总结.能培养学生的创新思维能力. 关键词 向量;距离;面积;体积;柯西不等式 向量作为数学的重要工具,有着广泛的应用,是数形结合的一个重要工具,是一种很好的数学研究方法,并且列入到高中数学教材,有利于发展中学生的思维能力和激活创新思维.向量是研究代数和几何之间的桥梁和纽带,利用向量解决代数问题和几何问题,常常能使一些复杂的问题简单化.构造向量法解题对给定的一个数学问题,只有对其结构特征进行了认真的观察、研究、确认和向量具有某些联系,才能用构造法来解,且利用构造向量来解答,证明会有意想不到的效果.本文运用向量工具对几个数学问题进行一些应用. 一.平面上点到直线距离公式 向量的数量积作为向量乘法一种重要运算,在向量理论中占有十分重要的位置,对求平面、空间距离十分有效. 设平面上一条直线,在平面上,为直线的单位法向量,是直线外平面上一定点,求P到直线的距离. 解 从图1容易可知,有几何射影的意义,得 因为 由此,我们想到中学的点到直线的距离公式 图 1 现在,我们用向量方法来证明它. 证明 如图2,假设直线:, 取它的方向向量,为直线的法向量. 设,因为 所以,故称为直线的法向量,与单位向量 于是,点即为直线:的距离等于向量在方向上射影的长度: 又因为为上任意一点,所以,故 那么,点到面的距离又怎么求呢?下面我们探讨一下: 二.空间中点到平面距离 设同在一个平面上,点,求点P到平面 的距离。 解 取平面内任意点F,有向量,我们知道平面的法向量为,找点P在上的射影M,则有 //,且||为所求的距离,于是 . 利用以上的基本方法,可以通过构造向量法,有效地解决平面、空间上的距离问题. 三.构造向量求方程的解 求方程的解,一般是用代数的方法来求解。换另一种思维思考,观察方程的特征,通过构造向量,有时也能简化无理方程来求方程的解. 例1解方程 解:将原方程变形为 构造向量=(-1,3)及=(-2,-2),则=(1,5),=, 所以 ,即向量与向量平行且方向相反,则,展开得 解之得 =. 四.构造向量证明不等式 不等式的证明往往是比较困难的,但根据问题的结构特点,通过构造向量使问题可以简化,问题就容易解决了. 例2 若 ,求证: 证明 设, , ,,则 +++=(2,2), ,将代入,即可得 . 例3 若及均为实数,求证: 证明 构造向量及向量,则 , 将代入,即可得 . 例4 设x,y∈R,求证: 证明 原不等式配方得 . 构造向量????x???8,?y??3??及????x???2,?y?????,则?????????6,?8?,? ,将代入,即可得到 . 例5 已知:,,求证: 证明 构造向量?及?,则?? 由于,则 . 例6 证明柯西不等式: 证明 在欧式空间中,设,, 我们知道 ,而,则 从而得 .两边平方得 . 在数学分析中我们学过了柯西不等式,用积分证明比较困难,而用向量来证明使问题简单化. 五.构造向量证明等式 例7 设x,y,z,a,b,c∈R,且, 求证: . 证明 构造向量及??,则?, 及已知条件可知,即、的夹角为0 或?.由向量共线的充要条件即可得到结论. 六.构造向量求面积 利用向量的向量积可以解决有关面积计算.如解三角形的面,以为邻边的三角形的面积为,对于多边形的面积计算,可以分割成多个三角形,在求它们积之和. 如图所示,边形,可以分割成个三角形 则有: 这里合理分割成三角形,灵活应用向量的线性运算 和向量的内外积. 七.巧用向量的混合积求体积 利用向量的混合积,解决有关体积的计算。设为三个不共面向量, 且两两不共线,V 以为相邻三条棱的四面的体积为 若棱锥顶点A是空间一定点,并且知道高向量,利用上面的面积求法求出底面面积,则有 . 八.构造向量求解解析几何问题 例8 设椭圆的焦点为,点是其上的动点,当为钝角时,求点P 的横坐标的取值范围. 解 由题设可知设动点的坐标为,构造向量,.因为 为钝角,所以有 即,与椭圆方程联立可得 的取值范围为 . 例9 一个圆的一条直径的两个端点分别是、,证明圆的方程是. 证明 设为圆上的任意一点,则向量 由于,因此,即. 例10 求连结两点和线段的垂直

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