题目
在△ABC中,AC=3,BC=4,∠C=90°.P为△ABC所在平面内的动点,且PC=1,则overrightarrow(PA)•overrightarrow(PB)的取值范围是( ) A. [-5,3] B. [-3,5] C. [-6,4] D. [-4,6]
在△ABC中,AC=3,BC=4,∠C=90°.P为△ABC所在平面内的动点,且PC=1,则$\overrightarrow{PA}$•$\overrightarrow{PB}$的取值范围是( )
- A. [-5,3]
- B. [-3,5]
- C. [-6,4]
- D. [-4,6]
题目解答
答案
解:在△ABC中,AC=3,BC=4,∠C=90°,
以C为坐标原点,CA,CB所在的直线为x轴,y轴建立平面直角坐标系,如图:

则A(3,0),B(0,4),C(0,0),
设P(x,y),
因为PC=1,
所以x2+y2=1,
又$\overrightarrow{PA}$=(3-x,-y),$\overrightarrow{PB}$=(-x,4-y),
所以$\overrightarrow{PA}$$•\overrightarrow{PB}$=-x(3-x)-y(4-y)=x2+y2-3x-4y=-3x-4y+1,
设x=cosθ,y=sinθ,
所以$\overrightarrow{PA}$$•\overrightarrow{PB}$=-(3cosθ+4sinθ)+1=-5sin(θ+φ)+1,其中tanφ=$\frac{3}{4}$,
当sin(θ+φ)=-1时,$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PB}$有最小值为-4,
当sin(θ+φ)=-1时,$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PB}$有最大值为6,
所以$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PB}$∈[-4,6],
故选:D.
以C为坐标原点,CA,CB所在的直线为x轴,y轴建立平面直角坐标系,如图:

则A(3,0),B(0,4),C(0,0),
设P(x,y),
因为PC=1,
所以x2+y2=1,
又$\overrightarrow{PA}$=(3-x,-y),$\overrightarrow{PB}$=(-x,4-y),
所以$\overrightarrow{PA}$$•\overrightarrow{PB}$=-x(3-x)-y(4-y)=x2+y2-3x-4y=-3x-4y+1,
设x=cosθ,y=sinθ,
所以$\overrightarrow{PA}$$•\overrightarrow{PB}$=-(3cosθ+4sinθ)+1=-5sin(θ+φ)+1,其中tanφ=$\frac{3}{4}$,
当sin(θ+φ)=-1时,$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PB}$有最小值为-4,
当sin(θ+φ)=-1时,$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PB}$有最大值为6,
所以$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PB}$∈[-4,6],
故选:D.
解析
考查要点:本题主要考查向量的坐标运算、点积的计算,以及利用三角函数或参数方程求解函数的取值范围。
解题核心思路:
- 建立坐标系:以直角顶点C为原点,构建平面直角坐标系,将几何问题代数化。
- 表示动点P的坐标:利用圆的方程约束条件PC=1,设P点坐标为$(x,y)$,满足$x^2 + y^2 = 1$。
- 向量表达与点积计算:通过坐标差表示向量$\overrightarrow{PA}$和$\overrightarrow{PB}$,计算它们的点积。
- 化简表达式:利用圆的方程$x^2 + y^2 = 1$简化点积表达式,转化为关于$x$和$y$的线性组合。
- 三角函数参数化:将$x$和$y$用三角函数表示,结合三角恒等式求取值范围。
破题关键点:
- 坐标系的选择:以C为原点,简化坐标计算。
- 点积表达式的化简:利用圆的方程消去二次项,转化为线性表达式。
- 三角函数的合成:将线性组合转化为单一三角函数形式,快速确定极值。
坐标系与点坐标
以C为原点,CA为x轴,CB为y轴,建立平面直角坐标系:
- $A(3,0)$,$B(0,4)$,$C(0,0)$。
- 动点P满足$PC=1$,故P的坐标$(x,y)$满足$x^2 + y^2 = 1$。
向量表达与点积计算
- $\overrightarrow{PA} = (3 - x, -y)$,$\overrightarrow{PB} = (-x, 4 - y)$。
- 点积计算:
$\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = (3 - x)(-x) + (-y)(4 - y) = -3x + x^2 -4y + y^2.$
化简表达式
利用$x^2 + y^2 = 1$,代入得:
$\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = 1 - 3x - 4y.$
三角函数参数化
设$x = \cos\theta$,$y = \sin\theta$,则表达式变为:
$1 - 3\cos\theta - 4\sin\theta.$
将$3\cos\theta + 4\sin\theta$合成三角函数:
$3\cos\theta + 4\sin\theta = 5\sin(\theta + \phi) \quad (\tan\phi = \frac{3}{4}).$
因此,点积表达式为:
$1 - 5\sin(\theta + \phi).$
取值范围
$\sin(\theta + \phi)$的取值范围为$[-1, 1]$,故:
- 当$\sin(\theta + \phi) = 1$时,最小值为$1 - 5 = -4$;
- 当$\sin(\theta + \phi) = -1$时,最大值为$1 + 5 = 6$。
综上,$\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB}$的取值范围是$[-4, 6]$。