向量记录大小和方向,可以平移;点的位置需要选定原点后才能用位置向量表示。
向量、加减法与数乘
向量是既有大小又有方向的量,可以用有向线段表示。向量 AB 的方向从 A 指向 B,长度 ∣AB∣ 称为它的模,记作 ∣AB∣。本页讨论可自由平移的向量:长度相等、方向相同的有向线段表示同一个向量,不要求起点相同。
模为零的向量叫零向量,记作 0;模为一的向量叫单位向量。零向量没有唯一方向,涉及夹角时应把它单独处理。向量 a 的相反向量记作 −a,长度相同、非零时方向相反。
加法与减法
将第二个向量的起点平移到第一个向量的终点,从第一个起点指向最后终点的向量就是和:
AB+BC=AC.
这称为三角形法则。若两向量共起点,以它们为邻边作平行四边形,从公共起点指向对角顶点的对角线表示向量和。
减法定义为加上相反向量:a−b=a+(−b)。特别地,
OB−OA=AB.
向量加法满足交换律和结合律:
a+b=b+a,(a+b)+c=a+(b+c).
向量减法不满足交换律或结合律;例如 a−0=a,而 0−a=−a。
实数与向量相乘
对实数 λ,向量 λa 的模为 ∣λ∣∣a∣。当 a=0 时,λ>0 保持方向,λ<0 改为反向,λ=0 得零向量。数乘满足
λ(μa)=(λμ)a,
(λ+μ)a=λa+μa,λ(a+b)=λa+λb.
共线与基底
给定非零向量 b,向量 a 与它共线,当且仅当存在实数 λ 使 a=λb。这里允许 a=0,对应 λ=0。
平面内两个不共线向量 e1,e2 构成一组基底。任意平面向量可唯一表示为 xe1+ye2。存在性可通过沿两基向量方向作平行四边形分解得到。
若同一向量还有表示 x′e1+y′e2,相减得 (x−x′)e1+(y−y′)e2=0。只要有一个系数非零,就会推出两个基向量共线,矛盾;因此两系数都为零,表示唯一。
向量的坐标及共线判定
在直角坐标系中,取沿两坐标轴正方向的单位向量 i,j。若 a=xi+yj,则称 (x,y) 为 a 的坐标。
若 A=(xA,yA),B=(xB,yB),由 AB=OB−OA,得到
AB=(xB−xA,yB−yA).
设 a=(x1,y1),b=(x2,y2),则
a±b=(x1±x2,y1±y2),λa=(λx1,λy1),∣a∣=x12+y12.
坐标加减与数乘来自基底展开后合并同一基向量的系数;模公式来自勾股定理。
共线的坐标判据是
a∥b⟺x1y2−x2y1=0.
若 b=0,可选它的一个非零坐标求比例系数,等式保证另一个坐标具有相同比例;若 b=0,等式自动成立,与零向量的共线约定一致。不要把它改写为无条件的 x1/x2=y1/y2,因为某个分母可能为零。
例
若 a=(1,2),b=(2,−1),表示 (5,0)=sa+tb,解 s+2t=5,2s−t=0 得 s=1,t=2。
易错点
零向量没有确定方向,不能与它谈夹角。用 a=λb 表示共线时,需要确认被除出的基准向量 b=0。
例:从首尾相接到基底表示
在三角形 OAB 中,设 a=OA、b=OB,M 为 AB 中点。则
AB=b−a,OM=2a+b,AM=2b−a.
每个等式都可由起点与终点核对。例如 OA+AB=OB,因此 AB 必为“终点位置向量减起点位置向量”。
若 O,A,B 不共线,a,b 构成基底,表示唯一;若它们共线,则同一向量可能有多种系数组合,不能比较系数得结论。
向量的不等式等号要判断方向
三角不等式 ∣a+b∣≤∣a∣+∣b∣ 在某向量为零或两个非零向量同向时取等;两个向量仅仅共线并不够。例如 a=(1,0),b=(−1,0) 时,左边为 0、右边为 2。
下界 ∣a+b∣≥∣a∣−∣b∣ 在某向量为零或两个非零向量反向时取等。处理差向量时把 b 换成 −b 即可。长度是不带方向的非负数,向量等式则同时记录长度和方向。
有向分点的坐标公式
设 A=B,点 P 满足 AP=λPB。以同一原点记录位置向量,原式为 p−a=λ(b−p),所以
p=1+λa+λb,λ=−1.
若 λ=−1,原式将推出 A=B,因此不可能。坐标公式为
P=(1+λxA+λxB,1+λyA+λyB).
λ>0 对应内分点;λ<0 且 λ=−1 对应外分点;λ=0 给出端点 A。有限的 λ 不能表示端点 B。这里是有向向量的比例,不能将外分时的负号解释为负的线段长度。内分的无向长度比及重心的应用见分点、重心与向量几何。
关联阅读
先修:方程、方程组与换元。
同主题:数量积、夹角与投影。
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