向量方法在高中数学解题中的应用.doc

向量方法在高中数学解题中的应用王贤举摘要：向量具有丰富的物理背景。它既是几何的研究对象，又是代数的研究对象，是沟通代数、几何的桥梁。通过向量法使代数问题几何化、使几何问题代数化、使代数问题和几何问题相互转化的一些实例，体现向量法在解决中学代数问题和几何问题的一些作用和优点。关键词：高中数学；向量法；解题；应用Abstract: The vector has rich physical backgrounds. It is both the object of geometry and the object of algebra, and also is the bridge of algebra and geometry. By some examples about vector methods that make some algebra problems into geometry problems, or make some geometry problems into algebra problems, or make algebra problems and geometry problems transform mutually, it manifests the merit of vector methods in solving algebra and geometry problems in senior high school mathematics.Key word: Senior high school mathematics; Vector methods; Problem solving; Application1、向量与高中数学教学向量是既有大小，又有方向的量【1】，是数学中的重要概念之一。向量具有丰富的物理背景，如力、位移、速度、加速度、动量、电场强度等都是向量。在高中数学新课程中设置向量的内容，是基于以下几方面原因：1.1向量是几何的研究对象物体的位置和外形是几何学的基本研究对象。向量可以表示物体的位置，也是一种几何图形（几何里用有向线段表示向量：所指的方向为向量的方向，线段的长度表示向量的大小），因而它成为几何学的基本研究对象。作为几何学的研究对象，向量有方向，可以刻画直线、平面等几何对象及它们的位置关系；向量有长度，可以刻画长度、面积、体积等几何度量问题。1.2向量是代数的研究对象运算及其规律是代数学的基本研究对象。向量可以进行加、减、数乘、数量积（点乘）等多种运算，这些运算及其规律赋予向量集合特定的结构，使得向量具有一系列丰富的性质。向量的运算及其性质自然成为代数学的研究对象。1.3向量是代数研究对象和几何研究对象的桥梁。著名数学家拉格朗日曾经说过：“只要代数同几何分道扬镳，它们的进展就缓慢.它们的应用就狭窄。但当这两门科学结合成伴侣时，它们就互相吸收新鲜的活力，从而以快捷的步伐走向完美”。我国著名数学家华罗庚先生也有“数缺形时少直观，形缺数时难入微”的精辟论述。高中数学中引入向量后【2】，通过在代数、几何中应用，改善教材结构、简化解题方法，也可通过在几何中的应用，加深对向量内容的理解。数学新大纲【3】引入向量后学习这部分内容既可了解向量的实际应用，又可加深对该部分内容的理解。本文通过向量法使代数问题几何化、使几何问题代数化、使代数问题和几何问题相互转化的一些实例，体现向量法在解决中学代数问题和几何问题的一些作用和优点。从而让学生学会使用向量法来解决高中数学问题，提高数学解题能力。2、向量方法在高中数学解题中的应用2.1、向量法使代数问题几何化向量沟通了代数与几何的联系，因此对某些代数问题，如能巧妙地构造向量，便能将其转化为几何问题【4】，从而使问题简化。例1、证明：对于任意两个向量，都有。证明：若中有一个为，则不等式显见 成立若都不是时，作,则.（1） 当不共线时，如图1所示，则,即.（2） 当共线时，若同向，如图2所示， 即.若反向，如图3所示， ,则综上可知： .评注：该命题的证明方法有多种，但应用向量工具把代数问题几何化，使其理解更容易和具体化。通过向量具有数形结合的性质，当两个向量不共线时，利用向量的三角形法则，转化为几何中三角形的性质进行讨论，得出.当两向量共线时，转化为对线段的讨论，从而可得到。2.2、向量法使几何问题代数化通过对向量的学习可知，向量有一整套的符号和运算系统，对大量的几何问题，不但可以用向量的语言加以叙述，而且完全可以借助向量的方法予以证明，从而把抽象的逻辑推理转化为具体的向量运算【5】。例1、求证：直角三角形斜边上的中线等于斜边的一半。证明：如图4所示，在中，是边上的中点。由向量加法的平行四边形法则知 , 评注：向量作为联系代数与几何图形的最佳桥梁，它可以使图形量化，使图形间的关系代数化。本题将直角三角形的各边及斜边上的中线用向量表示出来，利用平面向量的平行四边形法则和两向量垂直时数量积为0，转化为向量的代数运算，得，即证得直角三角形斜边上的中线等于斜边的一半。例2、设抛物线的焦点为，经过点的直线交抛物线于、两点。点在抛物线的准线上，且/轴.求证：直线经过原点【6】。证明：如图5所示，设，（图5）由题设可知，故, .由三点共线，知,. 且直线与直线有公共点，、三点共线，即直线经过原点.评注：用向量方法去解传统的立体几何题也是有优势的，能使问题很清晰，本题通过建立平面直角坐标，可得到向量。根据三点共线得是共线的向量，从而可求得也是共线向量。由平面上共线的两向量有公共点时，那么这三点在同一直线上，所以直线AC经过原点O。例3、如图6,在直三棱柱中,底面是等腰直角三角形,侧棱,分别是与的中点,点在平面上的射影是的重心。(1)求与平面所成的角的大小(结果用 反三角函数值表示);(2)求点到平面的距离。 解: 以为原点,分别为轴,建立空间直角坐标系,设则, 从而,由得 即,.(1) 设与平面所成的角,即与所成的角为,.(2) 设点在平面上的射影为则即代入运算得 或 (舍去) 从而评注：向量解决问题的直接好处体现得异常充分,学生比较容易找到落脚点,把空间的问题转化为代数问题,从向量的角度切入,可以有效地避开很多难点。本题通过建立空间直角坐标系，设，得到向量,。根据空间直线与平面间的定理可得，算出CA的长，在由之间的数量积、夹角和模的关系，可求出的夹角，即为设与平面所成的角。设点在平面上的射影为，可得到向量由两向量垂直时其数量积为0得可算出H的长度，也就是点到平面的距离。2.3、向量法使几何与代数问题相互转化在直角坐标系中，向量的坐标运算有加、减、数乘运算、数量积运算。建 立适当的直角坐标，通过向量的坐标运算将向量的几何运算与代数运算有机结合起来【7】，充分体现了解析几何的思想，让学生初步利用解析法来解决实际问题。例 1、 已知直线平面，直线平面，垂足分别为A，B。求证： 证明 如图1，在平面内，过点A作互相垂直向量 ，以 三个不共面的向量作为基底，沿基底，分解向量，（图1） 由空间向量基本定理可设 ， （1） （2）由，得AC，AD，同理AC，AD.又AC AD，且，分别代入（1）、（2）得. 。.评注：本题根据空间的任一向量都可以用不共面的一组基底线性表示，利用不共线向量基本定理及两向量垂直时的数量积为0，证得，则。例2 、如图2，给出定点和直线AC-1BOyxB是直线上的动点，的角平分线交AB于点C，求C点的轨迹方程 ，并讨论方程表示的曲线类型a值的关系。解 设则 由OC平分，知（图2）(1) 当 又与共线，有 将代入得：(2) 当时，点C（0，0）适合。综上（1）、（2）得C的轨迹方程为：评注：本题通过数形结合，建立平面坐标，设出相应的向量，可得到向量，根据角平分线定理得向量和的夹角相等，找出等量关系式进而求出c点的轨迹方程。例3、设点A和B为抛物线知原点以外的两个动点，已知求点M的轨迹方程 ，并说明它表示什么曲线。解：如图3设 则（图3） 即 化简得 又垂直 即化简得 ： 又即将代入得：A、B是异于原点的点，故，所以点M的轨迹方程为它表示为圆心，以2p为半径的圆（除去圆点）.评注：本题通过建立平面直角坐标，将，AM转化为向量，根据由两向量垂直，它们的数量积为0，得又由共线向量的基本定理进行代数运算，从而求出点M的轨迹方程。例4、 如图4，在四棱锥中，底面四边长为1的菱形，, , ,为的中点，为的中点【8】（）证明：直线；（图4）（）求异面直线AB与MD所成角的大小； （）求点B到平面OCD的距离。解： 方法一（空间定理法）（1）取OB中点E，连接ME，NE又（2） 为异面直线与所成的角（或其补角）作连接，所以 与所成角的大小为（3）点A和点B到平面OCD的距离相等，连接OP,过点A作 于点Q，又 ,线段AQ的长就是点A到平面OCD的距离，所以点B到平面OCD的距离为方法二（向量法）解：作APCD于点P，如图，分别以AB，AP，AO所在直线为x，y，z轴建立坐 标系（图） ， （1）， 设平面OCD的法向量为，则=0，=0 即 取，解得 MN平面OCD （2）设AB与MD所成的角为， AB与MD所成角的大小为 （3）设点B到平面OCD的距离为d，则d为OB在向量上的投影的绝对值， 由OB=(1,0,-2)，得d= 所以点B到平面OCD的距离为评注：本题通过用用常规法和向量法两种方法来解题，可以看出向量法解题的方便，通过作APCD于点P，建立空间直角A-xyz坐标系，找出向量的坐标，设平面OCD的法向量为则 可以得到MN平面OCD。根据AB与MD的夹角、模和数量积的关系可算出AB与MD所成角。由向量OB在法向量上投影的绝对值求得点B到平面OCD的距离。运用向量法解题，是解决立体几何题得好方法。3、小结与展望向量既是代数的对象，又是几何的对象。是沟通代数与几何的桥梁。向量作为代数对象，向量可以进行运算。作为几何对象，向量有方向，可以刻画直线、平面、切线等几何对象；向量有长度，可以刻画长度、面积、体积等几何度量问题。因此学好向量在高中数学中的应用是非常重要的。本文通过用向量方法解决高中数学中的一些几何问题与代数问题，认识向量是一种处理几何问题、代数问题等的好方法。其中包括向量法使代数问题几何化、向量法使几何问题代数化及向量法使几何与代数问题相互转化。把向量的代数和几何联系在一起。让学生学好向量在高中数学中的解题方法，进一步促进学生对代数几何的理解，运用代数几何化、几何代数化的方法，从多角度思维，充分体现了在应用向量来解题的过程中用到的数形结合的思想方法给我们带来方便。增进对数学中向量的理解，注重向量的代数性质及其几何意义，掌握向量方法在数学解题中的应用。参考文献1全日制普通高级中学教科书（试验修订本必修）第一册（下）M.人民教育出版社2003 2王列惠.谈高中数学中增加“向量”内容J.数学通讯,1998年第12期3中华人民共和国教育部普通高中数学课程标准（实验）M北京：人民教育出版社，20034汪尊国,吕听听.向量复习的实践与思考J.中学数学月刊.2003年第4期5刘绍学，章建跃几何中的向量方法J数学通报，2004，（3）6张雄,李得虎.向量方法论与解题研究M.高等教育出版,2003年8月第1版7全日制普通高级中学教科书（试验修订本必修）第二册（下）M,人民教育出版社2003 8韩文美向量学习的“四注重”和“四不能”J中学数学，2004，（10）12