已知非零向量a→ \overrightarrow{a},b→ \overrightarrow{b}满足∣a→∣=∣b→∣=∣a→+b→∣| \overrightarrow{a}|=| \overrightarrow{b}|=| \overrightarrow{a}+ \overrightarrow{b}|,则a→ \overrightarrow{a}与2a→−b→2 \overrightarrow{a}- \overrightarrow{b}夹角的余弦值为 ___ .

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完整解法

1. 由已知条件求出向量 $\overrightarrow{a}$ 与 $\overrightarrow{b}$ 的数量积

因为非零向量 a→\overrightarrow{a},b→\overrightarrow{b} 满足 ∣a→∣=∣b→∣=∣a→+b→∣|\overrightarrow{a}|=|\overrightarrow{b}|=|\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}|,
两边平方得:
∣a→+b→∣2=∣a→∣2|\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b}|^2 = |\overrightarrow{a}|^2
(a→+b→)2=a→2(\overrightarrow{a}+\overrightarrow{b})^2 = \overrightarrow{a}^2
a→2+2a→⋅b→+b→2=a→2\overrightarrow{a}^2 + 2\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b} + \overrightarrow{b}^2 = \overrightarrow{a}^2
由于 ∣b→∣=∣a→∣|\overrightarrow{b}| = |\overrightarrow{a}|,代入上式化简得:
2a→⋅b→+∣a→∣2=02\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b} + |\overrightarrow{a}|^2 = 0
a→⋅b→=−12∣a→∣2\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b} = -\frac{1}{2}|\overrightarrow{a}|^2

2. 求出向量 $2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}$ 的模长

计算 ∣2a→−b→∣2|2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}|^2:
∣2a→−b→∣2=(2a→−b→)2=4a→2−4a→⋅b→+b→2|2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}|^2 = (2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b})^2 = 4\overrightarrow{a}^2 - 4\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b} + \overrightarrow{b}^2
将 a→⋅b→=−12∣a→∣2\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b} = -\frac{1}{2}|\overrightarrow{a}|^2 和 ∣b→∣=∣a→∣|\overrightarrow{b}| = |\overrightarrow{a}| 代入得:

ight) + |\overrightarrow{a}|^2 = 7|\overrightarrow{a}|^2$$ 因此, $$|2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}| = \sqrt{7}|\overrightarrow{a}|$$

3. 求出向量 $\overrightarrow{a}$ 与 $2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}$ 的数量积

计算数量积 a→⋅(2a→−b→)\overrightarrow{a}\cdot(2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}):

ight) = \frac{5}{2}|\overrightarrow{a}|^2$$

4. 由夹角公式求出夹角的余弦值

设 a→\overrightarrow{a} 与 2a→−b→2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b} 的夹角为 θ\theta,则
cos⁡θ=a→⋅(2a→−b→)∣a→∣∣2a→−b→∣=52∣a→∣2∣a→∣⋅7∣a→∣=527=5714\cos\theta = \frac{\overrightarrow{a}\cdot(2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b})}{|\overrightarrow{a}||2\overrightarrow{a}-\overrightarrow{b}|} = \frac{\frac{5}{2}|\overrightarrow{a}|^2}{|\overrightarrow{a}| \cdot \sqrt{7}|\overrightarrow{a}|} = \frac{5}{2\sqrt{7}} = \frac{5\sqrt{7}}{14}

答案

5714\frac{5\sqrt{7}}{14}

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