Bài 6. Tích vô hướng của hai vectơ

Chương IV. Hệ thức lượng trong tam giác. Vectơ

1. Định nghĩa

Tích vô hướng của hai vectơ có cùng điểm đầu

Trong mặt phẳng, cho hai vectơ $\overrightarrow{OA},\overrightarrow{OB}$ khác $\overrightarrow{0}$ (Hình 64).

A B O Hình 64

Góc giữa hai vectơ $\overrightarrow{OA},\overrightarrow{OB}$ là góc giữa hai tia OA, OB và được kí hiệu là ${\color{Blue}(\overrightarrow{OA},\overrightarrow{OB})}$.

• Tích vô hướng của hai vectơ $\overrightarrow{OA}$ và $\overrightarrow{OB}$ là một số thực, kí hiệu ${\color{Blue}\overrightarrow{OA}.\overrightarrow{OB}}$, được xác định bởi công thức:

$\overrightarrow{OA}.\overrightarrow{OB}=\left|\overrightarrow{OA}\right|.\left|\overrightarrow{OB}\right|.cos\left(\overrightarrow{OA},\overrightarrow{OB}\right)$

Tích vô hướng của hai vectơ tùy ý

Cho hai vectơ $\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}$ khác $\overrightarrow{0}$. Lấy một điểm O và vẽ $\overrightarrow{OA}=\overrightarrow{a},\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{b}$ (Hình 65).

B O Hình 65 A a b

Góc giữa hai vectơ $\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}$, kí hiệu ${\color{Blue}\left(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}\right)}$, là góc giữa hai vectơ $\overrightarrow{OA},\overrightarrow{OB}$.

• Tích vô hướng của hai vectơ $\overrightarrow{a}$ và $\overrightarrow{b}$, kí hiệu ${\color{Blue}\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}}$, là tích vô hướng của hai vectơ $\overrightarrow{OA}$ và $\overrightarrow{OB}$. Như vậy, tích vô hướng của hai vectơ $\overrightarrow{a}$ và $\overrightarrow{b}$ là một số thực, được xác định bởi công thức:

$\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}=\left|\overrightarrow{a}\right|.\left|\overrightarrow{b}\right|.cos\left(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}\right)$

Quy ước: Tích vô hướng của một vectơ bất kì với vectơ $\overrightarrow{0}$ 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° thì ta nói hai vectơ $\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}$ vuông góc với nhau, kí hiệu ${\color{Blue}\overrightarrow{a}⊥\overrightarrow{b}}$ hoặc ${\color{Blue}\overrightarrow{b}⊥\overrightarrow{a}}$. Khi đó $\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}=\left|\overrightarrow{a}\right|.\left|\overrightarrow{b}\right|.cos90°$ = 0.

• Tích vô hướng của hai vectơ $\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}$ cùng hướng bằng tích hai độ dài của chúng.

$\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}=\left|\overrightarrow{a}\right|.\left|\overrightarrow{b}\right|$

• Tích vô hướng của hai vectơ $\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}$ ngược hướng bằng số đối của tích hai độ dài của chúng.

$\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}=\left|\overrightarrow{a}\right|.\left|\overrightarrow{b}\right|$

Ví dụ

1) Cho tam giác ABC vuông tại A có $\widehat{B}$ = 30°, AB = 3 cm. Tính $\overrightarrow{BA}.\overrightarrow{BC};\overrightarrow{CA}.\overrightarrow{CB}$.

Giải

A C 3 cm B 30°

$\widehat{C}=90°-\widehat{B}$ = 90° - 30° = 60°;

BC = AB : cosB = 3 : cos30° = $2\sqrt{3}$ (cm);

AC = AB . tanB = 3 . tan30° = $\sqrt{3}$ (cm).

• $\overrightarrow{BA}.\overrightarrow{BC}$ = BA.BC.cosB = 3.$2\sqrt{3}$.cos30° = 9.

• $\overrightarrow{CA}.\overrightarrow{CB}$ = CA.CB.cosC = $\sqrt{3}.2\sqrt{3}$.cos60° = 3.

 

2) Cho tam giác ABC đều cạnh a, AH là đường cao. Tính:

a) $\overrightarrow{CB}.\overrightarrow{BA}$;      b) $\overrightarrow{AH}.\overrightarrow{BC}$.

Giải

a H A D C . B

∆ABC đều cạnh a nên $\widehat{A}=\widehat{B}=\widehat{C}$ = 60° và AB = BC = AC = a.

Trên BC lấy điểm D sao cho $\overrightarrow{CB}=\overrightarrow{BD}$, do đó BD = BC = a.

Ta có: $\widehat{ABD}=180°-\widehat{ABC}$ = 180° - 60° = 120°.

a) $\overrightarrow{CB}.\overrightarrow{BA}=\overrightarrow{BD}.\overrightarrow{BA}$ = BD.BA.$cos\widehat{ABD}$ = a.a.cos120° = ${\color{Blue}\frac{-a^2}{2}}$.

b) Ta có AH ⊥ BC (vì AH là đường cao) ⇒ $\overrightarrow{AH}⊥\overrightarrow{BC}$.

Vậy $\overrightarrow{AH}.\overrightarrow{BC}$ = 0.

2. Tính chất

Với hai vectơ bất kì $\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}$ và số thực k tùy ý, ta có:

• $\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}=\overrightarrow{b}.\overrightarrow{a}$ (tính chất giao hoán);

• $\overrightarrow{a}.(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c})=\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}+\overrightarrow{a}.\overrightarrow{c}$ (tính chất phân phối);

• $(k\overrightarrow{a}).\overrightarrow{b}=k(\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b})=\overrightarrow{a}.(k\overrightarrow{b})$;

• $\overrightarrow{a}^2≥0,\overrightarrow{a}^2=0⇔\overrightarrow{a}=\overrightarrow{0}$.

Trong đó, kí hiệu $\overrightarrow{a}.\overrightarrow{a}=\overrightarrow{a}^2$ gọi là bình phương vô hướng của vectơ $\overrightarrow{a}$.

Ví dụ

Chứng minh rằng với hai vectơ bất kì $\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}$, ta có:

a) $\left(\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}\right)^2=\overrightarrow{a}^2+2\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}+\overrightarrow{b}^2$;

b) $\left(\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}\right)^2=\overrightarrow{a}^2-2\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}+\overrightarrow{b}^2$;

c) $\left(\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}\right).\left(\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}\right)=\overrightarrow{a}^2-\overrightarrow{b}^2$.

Giải

a) $\left(\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}\right)^2=\left(\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}\right).\left(\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}\right)$

 = $\overrightarrow{a}.\overrightarrow{a}+\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}+\overrightarrow{b}.\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}.\overrightarrow{b}$

 = $\overrightarrow{a}^2+2\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}+\overrightarrow{b}^2$.

b) $\left(\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}\right)^2=\left(\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}\right).\left(\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}\right)$

 = $\overrightarrow{a}.\overrightarrow{a}-\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}-\overrightarrow{b}.\overrightarrow{a}+(-\overrightarrow{b}).(-\overrightarrow{b})$

 = $\overrightarrow{a}^2-2\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}+\overrightarrow{b}^2$.

c) $\left(\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}\right).\left(\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}\right)$

 = $\overrightarrow{a}.\overrightarrow{a}+\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}-\overrightarrow{b}.\overrightarrow{a}+(-\overrightarrow{b}).\overrightarrow{b}$

 = $\overrightarrow{a}^2-\overrightarrow{b}^2$.

3. Một số ứng dụng

Tính độ dài của đoạn thẳng

Với hai điểm A, B phân biệt, ta có: ${\color{Blue}\overrightarrow{AB}^2=AB^2}$.

Do đó độ dài đoạn thẳng AB được tính như sau: ${\color{Blue}AB=\sqrt{\overrightarrow{AB}^2}}$.

Chứng minh hai đường thẳng vuông góc

• Cho hai vectơ bất kì $\overrightarrow{a}$ và $\overrightarrow{b}$ khác $\overrightarrow{0}$. Ta có: ${\color{Blue}\overrightarrow{a}.\overrightarrow{b}=0⇔\overrightarrow{a}⊥\overrightarrow{b}}$.

• ${\color{Blue}AB⊥CD⇔\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{CD}=0}$.

• $\overrightarrow{u},\overrightarrow{v}$ khác $\overrightarrow{0}$ có giá lần lượt song song (hoặc trùng) với đường thẳng a, b. Ta có, ${\color{Blue}a⊥b⇔\overrightarrow{u}.\overrightarrow{v}=0}$.

Ví dụ

Sử dụng tích vô hướng, chứng minh định lí Pythagore: Tam giác ABC vuông tại A khi và chỉ khi BC2 = AB2 + AC2.

Giải

• Ta chứng minh định lí thuận: "Nếu tam giác ABC vuông ở A, thì BC2 = AB2 + AC2 ".

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

     = $\overrightarrow{AC}^2-2\overrightarrow{AC}.\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AB}^2=\overrightarrow{AC}^2+\overrightarrow{AB}^2$.

Suy ra BC2 = AC2 + AB2 .

(Vì ∆ABC vuông tại A nên $\overrightarrow{AC}⊥\overrightarrow{AB}$. Do đó, $\overrightarrow{AC}.\overrightarrow{AB}$ = 0.)

• Ta chứng minh định lí đảo: "Nếu tam giác ABC có BC2 = AB2 + AC2 thì tam giác ABC vuông tại A".

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

     = $\overrightarrow{AC}^2-2\overrightarrow{AC}.\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AB}^2$.

Suy ra BC2 = AC2 - 2AC.AB.cosA + AB2 (1).

Mà BC2 = AB2 + AC2 nên từ (1) suy ra cosA = 0 hay $\widehat{A}$ = 90°.

Vậy ∆ABC vuông tại A.


Xem thêm các bài học khác :

Chương IV. Hệ thức lượng trong tam giác. Vectơ

Bài 1. Giá trị lượng giác của một góc từ 0° đến 180°. Định lí côsin và định lí sin trong tam giác
Bài 2. Giải tam giác. Tính diện tích tam giác
Bài 3. Khái niệm vectơ
Bài 4. Tổng và hiệu của hai vectơ
Bài 5. Tích của một số với một vectơ
Bài 6. Tích vô hướng của hai vectơ
Ôn tập Chương IV. Hệ thức lượng trong tam giác. Vectơ