Bài 8. Tổng và hiệu hai vectơ (SGK Toán 10 – Kết nối tri thức, Tập 1, trang 52–55)


Tóm tắt lý thuyết

Tổng hai vectơ (quy tắc ba điểm):

AB+BC=AC.\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AC}.

Quy tắc hình bình hành: a+b\vec{a} + \vec{b} là đường chéo của hình bình hành tạo bởi a\vec{a}b\vec{b} (cùng điểm đầu).

Tính chất: giao hoán a+b=b+a\vec{a}+\vec{b}=\vec{b}+\vec{a}; kết hợp; a+0=a\vec{a}+\vec{0}=\vec{a}.

Hiệu hai vectơ: ab=a+(b)\vec{a} - \vec{b} = \vec{a} + (-\vec{b}).

ABAC=CB,ACBC=AB.\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{CB}, \quad \overrightarrow{AC} - \overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AB}.

Vectơ trung điểm MM của ABAB:

OM=OA+OB2(với mọi điểm O).\overrightarrow{OM} = \frac{\overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OB}}{2} \quad \text{(với mọi điểm } O\text{).}


A. Luyện tập trong bài

Luyện tập 1 (trang 52). Chứng minh rằng với bốn điểm bất kỳ AA, BB, CC, DD:

AB+CD=AD+CB.\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{CB}.

Giải:

Biến đổi vế trái bằng cách thêm/bớt điểm trung gian DD:

AB+CD=(AD+DB)+(CB+BD).\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CD} = (\overrightarrow{AD} + \overrightarrow{DB}) + (\overrightarrow{CB} + \overrightarrow{BD}).

=AD+(DB+BD)+CB=AD+0+CB=AD+CB.= \overrightarrow{AD} + (\overrightarrow{DB} + \overrightarrow{BD}) + \overrightarrow{CB} = \overrightarrow{AD} + \vec{0} + \overrightarrow{CB} = \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{CB}. \quad \square


Luyện tập 2 (trang 53). Cho hình vuông ABCDABCD cạnh aa. Tính AB+AD|\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}|.

Giải:

AB+AD=AC\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} = \overrightarrow{AC} (quy tắc hình bình hành trong hình vuông).

AC=a2.|\overrightarrow{AC}| = a\sqrt{2}.


Luyện tập 3 (trang 53). Cho CBCA=?\overrightarrow{CB} - \overrightarrow{CA} = ?

Giải:

CBCA=CB+AC=AC+CB=AB.\overrightarrow{CB} - \overrightarrow{CA} = \overrightarrow{CB} + \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AC} + \overrightarrow{CB} = \overrightarrow{AB}.


Luyện tập 4 (trang 54). Cho hình bình hành ABCDABCD. Tìm điểm GG thỏa mãn GA+GB+GC+GD=0\overrightarrow{GA} + \overrightarrow{GB} + \overrightarrow{GC} + \overrightarrow{GD} = \vec{0}.

Giải:

Gọi OO là giao điểm hai đường chéo ABCDABCD (tâm hình bình hành).

OA+OC=0(vıˋ O laˋ trung điểm AC),OB+OD=0.\overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OC} = \vec{0} \quad (\text{vì } O \text{ là trung điểm } AC), \quad \overrightarrow{OB} + \overrightarrow{OD} = \vec{0}.

OA+OB+OC+OD=0.\Rightarrow \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OB} + \overrightarrow{OC} + \overrightarrow{OD} = \vec{0}.

Vậy G=OG = O (tâm hình bình hành) thỏa mãn yêu cầu.


B. Bài tập (trang 54–55)


Bài 4.6. Cho bốn điểm AA, BB, CC, DD. Chứng minh rằng:

a) AB+BC+CD=AD\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD}
b) CD+ABAD=CB\overrightarrow{CD} + \overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AD} = \overrightarrow{CB}

Hãy tìm điểm MM để CM=AB+AD\overrightarrow{CM} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}.

Lời giải:

a) Áp dụng quy tắc ba điểm liên tiếp:

AB+BC=AC,AC+CD=AD.\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AC}, \quad \overrightarrow{AC} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD}.

AB+BC+CD=AD.\Rightarrow \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD}. \quad \square

b) Biến đổi:

CD+ABAD=CD+AB+DA\overrightarrow{CD} + \overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AD} = \overrightarrow{CD} + \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{DA}

=CD+(AB+DA)=CD+DB=CB.= \overrightarrow{CD} + (\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{DA}) = \overrightarrow{CD} + \overrightarrow{DB} = \overrightarrow{CB}. \quad \square

Tìm MM: CM=AB+AD\overrightarrow{CM} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}.

Trong hình bình hành ABCDABCD: AB+AD=AC\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} = \overrightarrow{AC'} nếu CC' là đỉnh đối diện. Nhưng xét trong tam giác tổng quát, nếu ta đặt vectơ AB+AD\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}, điểm MM là điểm sao cho CM\overrightarrow{CM} bằng tổng trên. Ta dựng hình bình hành ABMDABMD: M=B+DCM = B + D - C (xét tọa độ).

Kết quả: MM là điểm thứ tư của hình bình hành với ba đỉnh AA, BB, DD sao cho CM=AB+AD\overrightarrow{CM} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}.


Bài 4.7. Cho hình bình hành ABCDABCD với cạnh AB=aAB = a, AD=bAD = bBAD=60°\angle BAD = 60°.

Tính AB+AD|\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}|ABAD|\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AD}|.

Lời giải:

Tổng AB+AD=AC\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} = \overrightarrow{AC} (đường chéo ACAC):

Theo định lý cosin trong tam giác ABDABD (A=60°\angle A = 60°):

AC2=a2+b2+2abcos60°=a2+b2+ab.|AC|^2 = a^2 + b^2 + 2ab\cos60° = a^2 + b^2 + ab.

AB+AD=a2+b2+ab.|\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}| = \sqrt{a^2 + b^2 + ab}.

Hiệu ABAD=DB\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AD} = \overrightarrow{DB} (đường chéo DBDB):

Góc ADB\angle ADB, trong tam giác ABDABD: ABD=180°60°=120°\angle ABD = 180° - 60° = 120° (góc kề bù).

DB2=a2+b22abcos60°=a2+b2ab.|DB|^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos60° = a^2 + b^2 - ab.

ABAD=a2+b2ab.|\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AD}| = \sqrt{a^2 + b^2 - ab}.

(Khi a=ba = b: AC=a3|AC| = a\sqrt{3}, BD=a|BD| = a.)


Bài 4.8. Hình 4.19 cho AB\overrightarrow{AB} cùng cạnh bằng aaAB|\overrightarrow{AB}|. Góc AA bằng 120°120°.

Tính AC+AB|\overrightarrow{AC} + \overrightarrow{AB}|.

Giải:

Cho AB=AC=aAB = AC = aBAC=120°\angle BAC = 120°. Đặt AB+AC=AD\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AD} (quy tắc hình bình hành):

AD2=AB2+AC2+2ABACcos120°=a2+a2+2a2(12)=2a2a2=a2.|AD|^2 = |AB|^2 + |AC|^2 + 2|AB||AC|\cos120° = a^2 + a^2 + 2a^2\left(-\frac{1}{2}\right) = 2a^2 - a^2 = a^2.

AB+AC=a.|\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AC}| = a.


Bài 4.9. Hai lực F1\vec{F_1}F2\vec{F_2} cùng tác động lên một vật, F1=3|\vec{F_1}| = 3 N, F2=2|\vec{F_2}| = 2 N, góc giữa hai lực là 120°120°. Tính độ lớn hợp lực F=F1+F2\vec{F} = \vec{F_1} + \vec{F_2}.

Lời giải:

Áp dụng quy tắc hình bình hành:

F2=F12+F22+2F1F2cos120°.|\vec{F}|^2 = |\vec{F_1}|^2 + |\vec{F_2}|^2 + 2|\vec{F_1}||\vec{F_2}|\cos120°.

=9+4+2×3×2×(12)=136=7.= 9 + 4 + 2 \times 3 \times 2 \times \left(-\frac{1}{2}\right) = 13 - 6 = 7.

F=72,65 N.|\vec{F}| = \sqrt{7} \approx \mathbf{2{,}65 \text{ N}}.

Kết quả: Hợp lực có độ lớn 72,65\sqrt{7} \approx 2{,}65 N.


Bài 4.10. Hai con tàu luôn được giữ khoảng cách và hướng đi song song nhau. Tàu AA di chuyển với vận tốc vA\vec{v_A} theo hướng Đông, vA=30|\vec{v_A}| = 30 km/h. Dòng nước chảy về hướng Nam với vận tốc vn=10|\vec{v_n}| = 10 km/h. Tính vận tốc tổng hợp của tàu AA và hướng đi thực tế.

Lời giải:

Vận tốc thực = vận tốc tàu + vận tốc dòng nước:

v=vA+vn.\vec{v} = \vec{v_A} + \vec{v_n}.

vA\vec{v_A} hướng Đông, vn\vec{v_n} hướng Nam → hai vectơ vuông góc nhau.

v=302+102=900+100=1000=101031,6 km/h.|\vec{v}| = \sqrt{30^2 + 10^2} = \sqrt{900+100} = \sqrt{1000} = 10\sqrt{10} \approx \mathbf{31{,}6 \text{ km/h}}.

Góc lệch về phía Nam so với hướng Đông:

tanθ=vnvA=1030=13    θ=arctan1318,4°.\tan\theta = \frac{|\vec{v_n}|}{|\vec{v_A}|} = \frac{10}{30} = \frac{1}{3} \;\Rightarrow\; \theta = \arctan\frac{1}{3} \approx 18{,}4°.

Kết quả: Tàu AA đi với tốc độ 31,6\approx 31{,}6 km/h, lệch 18,4°\approx 18{,}4° về phía Nam Đông.