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.