例谈“消点法”解一类平面向量问题
时间:2020-09-21 作者:高用 阅读:
摘要:由消点法证明平面几何问题得到启发,利用向量特有的线性运算将题目涉及的点逐步消去简化问题,或者构造封闭回路,绕开困难点,利用一些几何关系,通过数量积的工具最终达到消点(向量)的目的,从而解决问题.
关键词:消点法 平面向量 几何关系
消点法是张景中院士提出来的一种机械证明平面几何问题的方法,其基本思想就是通过面积工具,将问题涉及的点逐步消去,从而简化图形,解决问题.特别是问题涉及一些位置很难刻画的点的时候,利用消点法处理尤为方便.平面向量中也会经常遇到涉及点多而复杂、或者点的位置难以刻画的问题,使得问题的求解变得困难.从消点法证明平面几何问题的思想中得到启发,利用向量特有的线性运算将题目涉及的点逐步消去简化问题,或者构造封闭回路,绕开困难点,利用一些几何关系,通过数量积的工具最终达到消点(向量)的目的,从而使得问题迎刃而解.
1 利用线性运算消点例1 (2018辽宁联考)已知

是平面上不共线的三点,

是

的重心,动点

满足

,则

一定为

的( )
(A)

边中线的三等分点(非重心)
(B)

边的中点
(C)

边中线的中点
(D)重心
分析 该题所涉及的点有

五个点,由于点比较多,使得不容易直接得到点

与

的位置关系,故先试图消去一些点.
解 先把

化为整系数方程式,得

,从而

,所以

,作

的中点为

,则

,即

,所以点

为

边中线的三等分点(非重心).
点评 观察所给向量方程式系数的关系,发现等号两边系数是“平衡”(系数和相等)的,则可以通过适当拆分向量,利用向量加、减法运算,可以逐步消去点

,从而得到

的关系,问题得解.事实上,题中所给的条件“

是

的重心”是多余的.
例2(2014高考湖南(理))在平面直角坐标系中,

为原点,

,

,

,动点

满足

,则

的最大值是 .
分析 问题

所涉及点较多,向量

不容易表示,故试图消去一些点,简化目标向量是一个基本思路.
解 如图1,

,记点

关于原点的对称点为

,则

,
那么

,
所以

.
点评 利用向量的线性运算,逐步消去点

,将目标向量

简化为向量

,从而转化为圆上一点到定点

的距离求最大值.
例3 (2016高考四川(理))在平面内,定点

满足

,

,动点

满足

,

,则

的最大值是( )
(A)

(B)

(C)

(D)
分析 由

及

,不难得到

为

外接圆圆心,且半径为2,

.题中点

的位置较难刻画,故可以试图利用向量的线性运算,消去点

.
解 如图2,延长

交圆

与点

,




.
所以,


,当且仅当

与

同向时等号成立,故

的最大值是为

.
点评 通过向量的线性运算,逐步将向量

转化为

,从而实现了消去点

的想法,又

的模已知,故易求出

的最大值.
2 利用特殊的几何关系消点
2.1 利用中线消点例4 (2018高考天津(理))如图3,在平面四边形
ABCD中,

,

,

,

.
若点
E为边
CD上的动点,则

的最小值为( )
(A)

(B)

(C)

(D)
分析 此题易想到用基底法来求解,即将

,

用基底

,

表示,但从点

的位置可以看出表示

,

比较困难,尝试重新构造闭合回路,消去点

.
解 如图4,作

的中点

,连接

,则

,

.



.
所以,只要求出

的最小值,即点

到

的距离,至此,就彻底消掉了点

.过点

作

的垂线,垂足为

,由几何关系易求得

,所以

的最小值为

.
点评 通过中线

,构造闭合回路,于是

,

,在计算数量积

时,因为中点的性质所以有

,这对于消去点

起到了关键作用.
2.2 利用中垂线消点例5 (2018浙江温州一模)已知△

的边

的垂直平分线交

于点

,交

于点

,若

,

,则

的值为( )
(A)

(B)

(C)

(D)
分析 点

是

的垂直平分线与

的交点,无法刻画该点,所以

无法用基底

,

表示,故只能通过构造闭合回路,绕开点

,并试图消去

点.
解 如图5,连接

,则

,


.
点评 通过中线

,中垂线

,构造闭合回路,于是

,在计算数量积

时,由于中垂线的性质,有

,从而消掉点

.
例6 (2018南昌市重点中学高三段考)已知△

中,

,

,点

为△

所在平面内一点,满足

,则

.
分析 由题意,

是△

外接圆的圆心,若考虑用

,

作基底,由于

位置的特殊性,

难以用

,

表示出来.故只能通过构造闭合回路,绕开点

,并试图消去

点.

如图6,作

的中点

,连接

,

,则

是

的垂直平分线,

为△

中

边上的中线,于是

,

,
所以,

.
点评 此题的中垂线是隐含条件,通过中线

,中垂线

,构造闭合回路,于是

,在计算数量积

时,利用

,则有

,从而消掉点

.
2.3 利用直角消点例3解法2 如图7,延长

交圆周于点

,连

,则

,
则

在

方向上的投影为

,

在

方向上的投影为

,

从而


,
所以

.
点评 通过延长

到

,将

转化为

,从而消去位置难以刻画的点

,再利用圆内直角关系,很容易求出

,问题得解.
2.4 利用中点消点(向量)
例7 如图8,已知等边

的边长为2,圆

的半径为1,

为圆

的任意一条直径.求

的最大值.
分析 本题涉及的两个向量

不能直接求数量积,则可以考虑利用题目隐含的中点关系,转化向量,从而消去向量

.
解 作

中点

,连接

,则有:






,当且仅当

时等号成立,所以

的最大值为3.
点评 此题求解的关键是利用两个中点关系

,最终将两个不知道模和夹角的向量

的数量积转化成了

,整个求解的思路就是消点

(

).
古人云,三十六计走为上计.就是告诉人们,遇到问题和困难不要盲目死磕,要学会审时度势,避其锋芒,迂回前进.向量最大的特点就是能够“绕来绕去”,是能够实现迂回前进的有效工具.平面向量问题中常常遇到涉及的点较多,或者点位置难以刻画的问题,这时候不要强行试图利用基底表示相关向量,而要巧妙利用向量的线性运算法则,以及题目中一些特殊的几何关系,逐步消点,从而化繁为简,或者避开位置难以刻画的点,将难以表示的向量转化为已知向量,便能有效解决问题.