本题导读

本题考查平面向量数量积的运算律,以及平面向量数量积的几何意义。

📌【题干】

Question

(2012年北京卷(理)) 已知正方形 的边长为 ,点 是 边上的动点.则 的值为 ; 的最大值为 .

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 解法一:基底正交分解法(代数通性):
  • 选取相互垂直的向量 与 作为一组标准正交基底。
  • 根据向量加法的三角形法则,将动向量 分解为已知基底的线性组合:。
  • 根据正方形的平行性质,将向量 转化为与其相等的对边向量 。
  • 代入数量积展开,利用基底相互垂直则数量积为 0 的性质消除未知变量 。
  1. 解法二:几何射影法(直观速算):
  • 数量积 的几何意义为 在 方向上的投影长度与 模长的乘积。
  • 将 替换为 ,考查 在 方向上的投影。由于 在与 垂直的直线 上运动, 到 的射影永远落在点 。
  • 因而 在 上的几何射影向量恒为 ,与动点 的具体位置完全解耦。

✅【答案】

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✍【详细解析】

Abstract

解法一:基底正交分解法

在正方形 中,由于 ,我们选取 与 作为标准平面正交基底。 根据已知条件,正方形边长为 ,故有:

由向量加法的三角形法则,将动向量 沿着基底方向进行拆分:

根据正方形对边平行且相等的几何性质,向量 与 的模长相等且方向完全一致。因此满足向量相等条件:

将 ① ② 两式代入待求的数量积代数式中,并运用平面向量数量积的分配律展开:

由于点 落在 边上,向量 与向量 共线。 又因为在正方形中 ,所以无论动点 在 边上如何平移,向量 始终与基底 保持严格的垂直几何关系。 根据垂直向量数量积为 0 的性质:

将该零值项代回 ③ 式中:

解法二:几何射影法

根据平面向量数量积的几何投影定义, 等于向量 在向量 方向上的投影数量与 的乘积。

因为 ,原式可转化为:

将向量 向向量 所在的直线进行垂直投影。

  • 起点 的投影为其自身;
  • 终点 落在与 垂直的边 上,其向 所在直线作垂线,垂足必然精确落在正方形的顶点 处。

因此,动向量 在 方向上的投影向量恒等于固定向量 。 根据投影乘积公式:

故答案为:。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:正方形中对边不变量向量的等价替换;平行向量与垂直向量的代数特征;数量积运算律的展开。
  2. 核心方法:正交基底法(最不易出错的通性通法);几何投影法(快捷技巧)。
  3. 避坑指南:
  • 建立向量关系时注意字母顺序。如 方向向下,等价于 ,若粗心错写成 ,则会导致计算结果出现负号错误。
  • 看到“动点”切忌产生畏难心理,通过基底分解后,动点相关的交叉乘积项往往会因为垂直关系自动消除。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题为2012年北京卷高考理科数学第13题,是一道构思精巧的向量平面几何基础题,旨在考查考生将代数拆分与几何图形空间投影相结合的能力。
  2. 结论推广: 在仿射几何与向量空间中,本题模型可以推广为一个通用的**“平行轨道动点点积不变量定理”: 设 为任意矩形。若点 是与边 垂直的对边 所在直线上的任意一个动态拓扑点。 按照完全相同的正交分解或垂线射影推导,数量积 的响应结果表现出极强的刚性稳健性,其数值完全与动点 的坐标解耦,恒为一个仅由矩形固有边长决定的常数**: 利用此不变量模型,无需关注动点位置,可直接心算锁定终点解。

🔗【关联脉络】

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