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.
Quy tắc hình bình hành:a+b là đường chéo của hình bình hành tạo bởi a và b (cùng điểm đầu).
Tính chất: giao hoán a+b=b+a; kết hợp; a+0=a.
Hiệu hai vectơ:a−b=a+(−b).
AB−AC=CB,AC−BC=AB.
Vectơ trung điểm M của AB:
OM=2OA+OB(với mọi điểm O).
A. Luyện tập trong bài
Luyện tập 1 (trang 52). Chứng minh rằng với bốn điểm bất kỳ A, B, C, D:
AB+CD=AD+CB.
Giải:
Biến đổi vế trái bằng cách thêm/bớt điểm trung gian D:
AB+CD=(AD+DB)+(CB+BD).
=AD+(DB+BD)+CB=AD+0+CB=AD+CB.□
Luyện tập 2 (trang 53). Cho hình vuông ABCD cạnh a. Tính ∣AB+AD∣.
Giải:
AB+AD=AC (quy tắc hình bình hành trong hình vuông).
∣AC∣=a2.
Luyện tập 3 (trang 53). Cho CB−CA=?
Giải:
CB−CA=CB+AC=AC+CB=AB.
Luyện tập 4 (trang 54). Cho hình bình hành ABCD. Tìm điểm G thỏa mãn GA+GB+GC+GD=0.
Giải:
Gọi O là giao điểm hai đường chéo ABCD (tâm hình bình hành).
OA+OC=0(vıˋO laˋ trung điểm AC),OB+OD=0.
⇒OA+OB+OC+OD=0.
Vậy G=O (tâm hình bình hành) thỏa mãn yêu cầu.
B. Bài tập (trang 54–55)
Bài 4.6. Cho bốn điểm A, B, C, D. Chứng minh rằng:
a) AB+BC+CD=AD b) CD+AB−AD=CB
Hãy tìm điểm M để CM=AB+AD.
Lời giải:
a) Áp dụng quy tắc ba điểm liên tiếp:
AB+BC=AC,AC+CD=AD.
⇒AB+BC+CD=AD.□
b) Biến đổi:
CD+AB−AD=CD+AB+DA
=CD+(AB+DA)=CD+DB=CB.□
Tìm M:CM=AB+AD.
Trong hình bình hành ABCD: AB+AD=AC′ nếu C′ là đỉnh đối diện. Nhưng xét trong tam giác tổng quát, nếu ta đặt vectơ AB+AD, điểm M là điểm sao cho CM bằng tổng trên. Ta dựng hình bình hành ABMD: M=B+D−C (xét tọa độ).
Kết quả:M là điểm thứ tư của hình bình hành với ba đỉnh A, B, D sao cho CM=AB+AD.
Bài 4.7. Cho hình bình hành ABCD với cạnh AB=a, AD=b và ∠BAD=60°.
Tính ∣AB+AD∣ và ∣AB−AD∣.
Lời giải:
TổngAB+AD=AC (đường chéo AC):
Theo định lý cosin trong tam giác ABD (∠A=60°):
∣AC∣2=a2+b2+2abcos60°=a2+b2+ab.
∣AB+AD∣=a2+b2+ab.
HiệuAB−AD=DB (đường chéo DB):
Góc ∠ADB, trong tam giác ABD: ∠ABD=180°−60°=120° (góc kề bù).
∣DB∣2=a2+b2−2abcos60°=a2+b2−ab.
∣AB−AD∣=a2+b2−ab.
(Khi a=b: ∣AC∣=a3, ∣BD∣=a.)
Bài 4.8. Hình 4.19 cho AB cùng cạnh bằng a và ∣AB∣. Góc A bằng 120°.
Tính ∣AC+AB∣.
Giải:
Cho AB=AC=a và ∠BAC=120°. Đặt AB+AC=AD (quy tắc hình bình hành):
Bài 4.9. Hai lực F1 và F2 cùng tác động lên một vật, ∣F1∣=3 N, ∣F2∣=2 N, góc giữa hai lực là 120°. Tính độ lớn hợp lực F=F1+F2.
Lời giải:
Áp dụng quy tắc hình bình hành:
∣F∣2=∣F1∣2+∣F2∣2+2∣F1∣∣F2∣cos120°.
=9+4+2×3×2×(−21)=13−6=7.
∣F∣=7≈2,65 N.
Kết quả: Hợp lực có độ lớn 7≈2,65 N.
Bài 4.10. Hai con tàu luôn được giữ khoảng cách và hướng đi song song nhau. Tàu A di chuyển với vận tốc vA theo hướng Đông, ∣vA∣=30 km/h. Dòng nước chảy về hướng Nam với vận tốc ∣vn∣=10 km/h. Tính vận tốc tổng hợp của tàu A và hướng đi thực tế.
Lời giải:
Vận tốc thực = vận tốc tàu + vận tốc dòng nước:
v=vA+vn.
vA hướng Đông, vn hướng Nam → hai vectơ vuông góc nhau.
∣v∣=302+102=900+100=1000=1010≈31,6 km/h.
Góc lệch về phía Nam so với hướng Đông:
tanθ=∣vA∣∣vn∣=3010=31⇒θ=arctan31≈18,4°.
Kết quả: Tàu A đi với tốc độ ≈31,6 km/h, lệch ≈18,4° về phía Nam Đông.