Lý thuyết Tích vô hướng của hai vecto - SGK Toán 10 Cánh diều

A. Lý thuyết

1. Định nghĩa

a) Tích vô hướng của hai vecto có cùng điểm đầu

b) Tích vô hướng của hai vecto tùy ý

Cho hai vecto \(\overrightarrow a ,\overrightarrow b \) khác \(\overrightarrow 0 \), kí hiệu là \(\left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right)\). Lấy một điểm O và vẽ vecto \(\overrightarrow {OA} = \overrightarrow a \), \(\overrightarrow {OB} = \overrightarrow b \).

Quy ước: Tích vô hướng của một vecto bất kì vói vecto \(\overrightarrow 0 \) là số 0.

Chú ý:

+) \(\left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = \left( {\overrightarrow b ,\overrightarrow a } \right)\).

+) Nếu \(\left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = {90^o}\) thì ta nói hai vecto \(\overrightarrow a ,\overrightarrow b \) vuông góc với nhau, kí hiệu \(\vec a \bot \vec b\) hoặc \(\overrightarrow a \bot \overrightarrow b \). Khi đó \(\overrightarrow a .\overrightarrow b = \left| {\overrightarrow a } \right|.\left| {\overrightarrow b } \right|\cos {90^o} = 0\).

+) Tích vô hướng của hai vectơ cùng hướng bằng tích hai độ dài của chúng.

+) Tích vô hướng của hai vectơ ngược hướng bằng số đối của tích hai độ dài của chúng.

2. Tính chất

Trong đó, kí hiệu \(\overrightarrow a .\overrightarrow a = {\overrightarrow a ^2}\) và biểu thức này được gọi là bình phương vô hướng của vecto \(\overrightarrow a \).

3. Một số ứng dụng

a) Tính độ dài của đoạn thẳng

Nhận xét: Với hai điểm A, B phân biệt, ta có \({\overrightarrow {AB} ^2} = {\left| {\overrightarrow {AB} } \right|^2}\). Do đó, độ dài đoạn thẳng AB được tính như sau: \(AB = \sqrt {{{\overrightarrow {AB} }^2}} \).

b) Chứng minh hai đường thẳng vuông góc

Nhận xét: Cho hai vecto bất kì \(\overrightarrow a ,\overrightarrow b \) khác \(\overrightarrow 0 \). Ta có: \(\overrightarrow a .\overrightarrow b = 0 \Leftrightarrow \overrightarrow a \bot \overrightarrow b \).

B. Bài tập

Bài 1: Cho tam giác ABC vuông cân tại A và AB = 4 cm.

a) Tính độ dài cạnh huyền BC.

b) Tính \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} \); \(\overrightarrow {BA} .\overrightarrow {BC} \).

Giải:

a) \(BC = AB\sqrt 2 = 4\sqrt 2 \) (cm).

b) \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} = \left| {\overrightarrow {AB} } \right|.\left| {\overrightarrow {AC} } \right|.\cos \left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} } \right)\)

\( = 4.4.\cos \widehat {BAC} = 16.\cos {90^o} = 16.0 = 0\).

\(\overrightarrow {BA} .\overrightarrow {BC} = \left| {\overrightarrow {BA} } \right|.\left| {\overrightarrow {BC} } \right|.\cos \left( {\overrightarrow {BA} ,\overrightarrow {BC} } \right)\)

\( = 4.4\sqrt 2 .\cos \widehat {ABC} = 16\sqrt 2 .\cos {45^o} = 16\sqrt 2 .\frac{{\sqrt 2 }}{2} = 16\).

Bài 2: Cho hình vuông ABCD tâm O có độ dài cạnh bằng a. Tính:

a) \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {OC} \).

b) \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {BD} \).

c) \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {OD} \).

Giải:

a) Ta có: \(\left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {OC} } \right) = \left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AO} } \right) = \widehat {BAO} = {45^o}\).

Vậy \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {OC} = \left| {\overrightarrow {AB} } \right|.\left| {\overrightarrow {OC} } \right|.\cos \left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {OC} } \right) = a.\frac{a}{{\sqrt 2 }}.\cos {45^o} = \frac{{{a^2}}}{{\sqrt 2 }}.\frac{{\sqrt 2 }}{2} = \frac{{{a^2}}}{2}\).

b) Vẽ vecto \(\overrightarrow {BE} = \overrightarrow {AB} \). Ta có:

\(\left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {BD} } \right) = \left( {\overrightarrow {BE} ,\overrightarrow {BD} } \right) = \widehat {EBD} = {135^o}\).

Vậy \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {BD} = \left| {\overrightarrow {AB} } \right|.\left| {\overrightarrow {BD} } \right|.\cos \left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {BD} } \right) = a.a\sqrt 2 .\cos {135^o} = {a^2}\sqrt 2 .\frac{{ - \sqrt 2 }}{2} = - {a^2}\).

c) Vì \(\overrightarrow {BE} = \overrightarrow {AB} \), \(\overrightarrow {BO} = \overrightarrow {OD} \) nên \(\left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {OD} } \right) = \left( {\overrightarrow {BE} ,\overrightarrow {BO} } \right) = \widehat {EBO} = {135^o}\).

Vậy \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {OD} = \left| {\overrightarrow {AB} } \right|.\left| {\overrightarrow {OD} } \right|.\cos \left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {OD} } \right) = a.\frac{a}{{\sqrt 2 }}.\cos {135^o} = \frac{{{a^2}}}{{\sqrt 2 }}.\frac{{ - \sqrt 2 }}{2} = \frac{{ - {a^2}}}{2}\).

Bài 3: Cho đoạn thẳng AB và I là trung điểm của AB. Chứng minh rằng với mỗi điểm O, ta có:

a) \(\overrightarrow {OI} .\overrightarrow {IA} + \overrightarrow {OI} .\overrightarrow {IB} = 0\).

b) \(\overrightarrow {OI} .\overrightarrow {AB} = \frac{1}{2}\left( {{{\overrightarrow {OB} }^2} - {{\overrightarrow {OA} }^2}} \right)\).

Giải:

a) Vì I là trung điểm của AB nên \(\overrightarrow {IA} + \overrightarrow {IB} = \overrightarrow 0 \).

Vậy \(\overrightarrow {OI} .\overrightarrow {IA} + \overrightarrow {OI} .\overrightarrow {IB} = \overrightarrow {OI} .\left( {\overrightarrow {IA} + \overrightarrow {IB} } \right) = \overrightarrow {OI} .\overrightarrow 0 = 0\).

b) Vì I là trung điểm AB nên \(2\overrightarrow {OI} = \overrightarrow {OB} + \overrightarrow {OA} \Leftrightarrow \overrightarrow {OI} = \frac{1}{2}\left( {\overrightarrow {OB} + \overrightarrow {OA} } \right)\).

Vậy \(\overrightarrow {OI} .\overrightarrow {AB} = \frac{1}{2}\left( {\overrightarrow {OB} + \overrightarrow {OA} } \right).\left( {\overrightarrow {OB} - \overrightarrow {OA} } \right) = \frac{1}{2}.\left( {{{\overrightarrow {OB} }^2} - {{\overrightarrow {OA} }^2}} \right)\).

Bài 4: Cho tam giác ABC vuông tại A. Tính \(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AB} + \overrightarrow {AB} .\overrightarrow {BC} \).

Giải:

\(\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AB} + \overrightarrow {AB} .\overrightarrow {BC} = \overrightarrow {AB} .\left( {\overrightarrow {AB} + \overrightarrow {BC} } \right) = \overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} = 0\) (do \(\overrightarrow {AB} \) vuông góc với \(\overrightarrow {AC} \)).

Bài 5: Chứng minh rằng trong tam giác ABC, ta có: \(B{C^2} = A{B^2} + A{C^2} - 2AB.AC.\cos A\) (định lí cosin trong tam giác).

Giải:

Ta có \({\overrightarrow {BC} ^2} = {\left( {\overrightarrow {AC} - \overrightarrow {AB} } \right)^2} = {\overrightarrow {AC} ^2} + {\overrightarrow {AB} ^2} - 2.\overrightarrow {AC} .\overrightarrow {AB} \).

Suy ra \(B{C^2} = A{B^2} + A{C^2} - 2AB.AC.\cos \left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} } \right)\)

\( = A{B^2} + A{C^2} - 2AB.AC.\cos A\).