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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,www.ziyuanku.com的重心,动点满足,则一定为www.ziyuanku.com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的位置关系,故先试图消去一些点.
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“www.ziyuanku.com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.
 
图1
   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)
 
图2
分析,不难得到www.ziyuanku.com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 如图2,延长交圆与点




所以,
,当且仅当同向时等号成立,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
 
图3
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
 
图4
如图4,作的中点,连接,则,.


.
所以,只要求出的最小值,即点的距离,至此,就彻底消掉了点.过点的垂线,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)  
 
图5
分析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. 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.
 
图6
如图6,作的中点,连接,则的垂直平分线,为△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www.ziyuanku.com交圆周于点www.ziyuanku.com,连www.ziyuanku.com,则www.ziyuanku.com
    则www.ziyuanku.comwww.ziyuanku.com方向上的投影为www.ziyuanku.com
    www.ziyuanku.comwww.ziyuanku.com方向上的投影为www.ziyuanku.com
 
图7
从而www.ziyuanku.comwww.ziyuanku.com
所以www.ziyuanku.com.
点评 通过延长,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)
 
图8
例7 如图8,已知等边www.ziyuanku.com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
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.
 


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