对任意量给非零向量a→\overrightarrow {a},b→\overrightarrow {b},定义新运算:a→×b→=∣a→∣sin⁡〈a→,b→〉∣b→∣.\overrightarrow {a}×\overrightarrow {b}=\dfrac{|\overrightarrow {a}|\sin〈\overrightarrow {a},\overrightarrow {b}〉}{|\overrightarrow {b}|}.已知非零向量m→\overrightarrow {m},n→\overrightarrow {n}满足∣m→∣>3∣n→∣|\overrightarrow {m}|>3|\overrightarrow {n}|,且向量m→\overrightarrow {m},n→\overrightarrow {n}的夹角θ∈(π4,π2)θ\in(\dfrac{π}{4},\dfrac{π}{2}),若4(m→×n→)4(\overrightarrow {m}×\overrightarrow {n})和4(n→×m→)4(\overrightarrow {n}×\overrightarrow {m})都是整数,则m→×n→\overrightarrow {m}×\overrightarrow {n}的值可能是()(\quad)
A. 22
B. 33
C. 44
D. 174\dfrac{17}{4}

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完整解法

1. 确定 $\overrightarrow {n}×\overrightarrow {m}$ 的具体数值

根据定义可得 n→×m→=∣n→∣sin⁡θ∣m→∣\overrightarrow {n}×\overrightarrow {m} = \dfrac{|\overrightarrow {n}|\sin \theta}{|\overrightarrow {m}|}。
设 n→×m→=x\overrightarrow {n}×\overrightarrow {m} = x,根据题意 4x4x 是整数,设 4x=k∈Z4x = k \in \mathbb{Z},则 x=k4x = \dfrac{k}{4}。
由于 ∣m→∣>3∣n→∣>0|\overrightarrow {m}| > 3|\overrightarrow {n}| > 0,可得 0<∣n→∣∣m→∣<130 < \dfrac{|\overrightarrow {n}|}{|\overrightarrow {m}|} < \dfrac{1}{3}。
又因为 θ∈(π4,π2)\theta \in (\dfrac{\pi}{4}, \dfrac{\pi}{2}),所以 22<sin⁡θ<1\dfrac{\sqrt{2}}{2} < \sin \theta < 1。
因此,0<∣n→∣∣m→∣sin⁡θ<13×1=130 < \dfrac{|\overrightarrow {n}|}{|\overrightarrow {m}|}\sin \theta < \dfrac{1}{3} \times 1 = \dfrac{1}{3},即 0<k4<130 < \dfrac{k}{4} < \dfrac{1}{3},解得 0<k<430 < k < \dfrac{4}{3}。
因为 k∈Zk \in \mathbb{Z},所以 k=1k=1,即 n→×m→=14\overrightarrow {n}×\overrightarrow {m} = \dfrac{1}{4}。

2. 将目标表达式 $\overrightarrow {m}×\overrightarrow {n}$ 转化为关于 $\sin \theta$ 的函数关系式

由第1步可知,∣n→∣sin⁡θ∣m→∣=14\dfrac{|\overrightarrow {n}|\sin \theta}{|\overrightarrow {m}|} = \dfrac{1}{4},从而得到 ∣m→∣∣n→∣=4sin⁡θ\dfrac{|\overrightarrow {m}|}{|\overrightarrow {n}|} = 4\sin \theta。
再根据定义,目标表达式为:
m→×n→=∣m→∣sin⁡θ∣n→∣=(∣m→∣∣n→∣)sin⁡θ=4sin⁡2θ\overrightarrow {m}×\overrightarrow {n} = \dfrac{|\overrightarrow {m}|\sin\theta}{|\overrightarrow {n}|} = \left(\dfrac{|\overrightarrow {m}|}{|\overrightarrow {n}|}\right) \sin\theta = 4\sin^2\theta

3. 求出 $\overrightarrow {m}×\overrightarrow {n}$ 的范围并确定其可能的值

因为 ∣m→∣>3∣n→∣|\overrightarrow {m}| > 3|\overrightarrow {n}|,所以 ∣m→∣∣n→∣>3\dfrac{|\overrightarrow {m}|}{|\overrightarrow {n}|} > 3,即 4sin⁡θ>34\sin\theta > 3,解得 sin⁡θ>34\sin\theta > \dfrac{3}{4}。
结合 θ∈(π4,π2)\theta \in (\dfrac{\pi}{4}, \dfrac{\pi}{2}) 可知 sin⁡θ<1\sin\theta < 1,故 sin⁡θ∈(34,1)\sin\theta \in (\dfrac{3}{4}, 1)。
从而有 sin⁡2θ∈(916,1)\sin^2\theta \in (\dfrac{9}{16}, 1)。
因此,m→×n→=4sin⁡2θ∈(94,4)\overrightarrow {m}×\overrightarrow {n} = 4\sin^2\theta \in (\dfrac{9}{4}, 4),即其取值范围在 (2.25,4)(2.25, 4) 之间。
由于 4(m→×n→)4(\overrightarrow {m}×\overrightarrow {n}) 是整数,结合选项:

  • A. 2 不在范围内;
  • B. 3 在 (2.25,4)(2.25, 4) 内,且 4×3=124 \times 3 = 12 是整数,符合题意;
  • C. 4 不在范围内;
  • D. 174=4.25\dfrac{17}{4} = 4.25 不在范围内。
    故选 B。
答案

B

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