平面向量快速入门

本文详细介绍了向量的概念,包括其作为有向线段的几何表示,数学中的运算简化,以及在物理中的矢量表示,如位移、速度和力。涵盖了向量的方向、长度、坐标表示及其加减乘运算,包括三角形定则、平行四边形定则和向量的数量积。

概念

什么是向量?
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这就是向量。

从图上可以看出,向量是一条带箭头的线,准确来说,向量是一条有向线段

那么向量有什么样的意义呢?

在数学中,它可以简化运算,将复杂的几何问题转化为简单的向量运算。

那它又有怎样的实际意义呢?

它可以表示物理中的矢量,可以表示位移、速度、力等物理量,同时可以以向量运算代替物理量运算,达到简化的目的。

与向量相对的,像 1111.51.51.512\dfrac{1}{2}21π\piπ 这类数,我们称作数量

性质

向量既然是一条有向线段,决定向量的因素有哪些呢?

  1. 向量的方向
  2. 向量的长度

注意,没有向量的位置!也就是说,向量与它的位置无关

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图中,红色的向量与蓝色的向量完全相等

如果两个向量方向相同或相反,我们称这两个向量平行,也称它们共线。如果两个向量夹角为 909090 度,我们称它们垂直

表示

对于一个向量,如果它的起点为AAA,终点为BBB,如图:

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那么我们称它为向量ABABAB,记作 AB→\overrightarrow{AB}AB

注意,起点和终点的顺序不能颠倒,像 BA→\overrightarrow{BA}BA 就是错误的。

对于下图:
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我们称它为向量aaa,手写时记作 a⃗\vec{a}a,在印刷本中一般记作加粗的a

那么我们对于向量的长度也给予一个符号表示,对于 AB→\overrightarrow{AB}AB,它的长度记为 ∣AB→∣|\overrightarrow{AB}|AB。向量的长度一般称为向量的

运算

既然向量可以像数量一样表示,那么向量能否像数量一样运算呢?显然,是可以的。

前面,我们说过,向量可以表示矢量,我们以位移为例,分析向量的运算。

现在一个物体从点AAA运动到点BBB,表示为AB→\overrightarrow{AB}AB

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再从点BBB运动到点CCC,表示为BC→\overrightarrow{BC}BC

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那么它的总位移是什么?

显然,是AC→\overrightarrow{AC}AC

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所以我们可以得到向量加法的运算方式:
AB→+BC→=AC→\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AC}AB+BC=AC

对于上述这种方法,我们称之为三角形定则,因为两个向量与它们的和成三角形。

而当我们脱离现实,回到数学本身上来,对于首尾不相接的向量,我们又怎样进行运算呢?

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我们知道,向量与位置无关。首先将 CD→\overrightarrow{CD}CD 平移,使得CCCBBB重合:

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然后进行加法即可。

那我们还有其他的方法进行加法运算吗?

对于下面的两个向量:
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我们将它们的起点对齐:

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然后做平行四边形:

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连对角线:

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结果即是 AE→\overrightarrow{AE}AE

上面这种方法,我们称之为平行四边形定则

平行四边形定则以及三角形定则是求平面向量加法的方式,它们可以借助平行四边形以及三角形理解,而它们又符合实际情况。位移、速度、力的合成均可视作向量的加法。

那么,减法又如何定义呢?

我们知道,在数的运算中,减法是加法的逆运算。在向量中也是如此。对于下图:
请添加图片描述

我们知道,AB→+BC→=AC→\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AC}AB+BC=AC,则有:
AC→−AB→=BC→\overrightarrow{AC}-\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{BC}ACAB=BC
AC→−BC→=AB→\overrightarrow{AC}-\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AB}ACBC=AB

那么减法又该怎样运算呢?对于向量a⃗\vec{a}a和向量b⃗\vec{b}b,我们将a⃗\vec{a}a的起点和b⃗\vec{b}b的起点对齐,从b⃗\vec{b}b的终点向a⃗\vec{a}a的终点做向量c⃗\vec{c}c,则有
c⃗=a⃗−b⃗\vec{c}=\vec{a}-\vec{b}c=ab

这样,我们就得到了减法的运算法则。

那么,向量有没有乘法运算呢?

我们将向量的乘法分为两种:向量与数量的乘法 和 向量与向量的乘法。

向量与数量的乘法称为数乘,记作a⃗=λb⃗\vec{a}=\lambda\vec{b}a=λb,其中 λ\lambdaλ 为实数。

数乘的结果分为三种:

  1. λ>0\lambda>0λ>0 时,向量方向不变,模变为原来的 λ\lambdaλ 倍。
  2. λ=0\lambda=0λ=0 时,模变为 000。模为 000 的向量称为零向量,记作 0⃗\vec{0}00,零向量的方向无法确定,但认为它与任意向量平行,也与任意向量垂直。
  3. λ<0\lambda<0λ<0 时,向量方向与原来相反,模变为原来的 ∣λ∣|\lambda|λ 倍。

这样,如果向量 a⃗\vec{a}a 可以表示为 λb⃗\lambda\vec{b}λb,则 a⃗\vec{a}ab⃗\vec{b}b 平行。

向量与向量的乘法有两种,内积外积。这里只介绍内积。

内积,又称数量积、点积,表示为a⃗⋅b⃗\vec{a}\cdot\vec{b}ab。注意,不能是a⃗×b⃗\vec{a}\times\vec{b}a×b,这是外积的表示法。

内积的结果是一个数量,而不是向量:
a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣cosθ\vec{a}\cdot\vec{b}=|\vec{a}||\vec{b}|cos\thetaab=a∣∣bcosθ

其中 θ\thetaθa⃗\vec{a}ab⃗\vec{b}b 的夹角。

因为 cos 90°=0cos\ 90°=0cos 90°=0,所以我们可以得到:
a⃗⋅b⃗=0⇔a⃗⊥b⃗\vec{a}\cdot\vec{b}=0 \Leftrightarrow \vec{a} \perp \vec{b}ab=0ab

坐标

我们要是想把一个向量在平面直角坐标系上表示出来,我们应该怎样表示呢?

按照我们表示线段的方式,应该通过两个端点的坐标来表示。

可是向量与线段有什么不同之处?

向量与位置无关!

我们可以将线段平移,使得起点与原点重合,就可以用终点的坐标表示向量的坐标了!

在这里插入图片描述

平移:

在这里插入图片描述
则这个向量的坐标为 (3,1)(3,1)(3,1)

坐标运算

那么,有了坐标,我们是否可以用坐标进行运算呢?

a⃗=(x1,y1)\vec{a}=(x_1,y_1)a=(x1,y1)b⃗=(x2,y2)\vec{b}=(x_2,y_2)b=(x2,y2),则有:

a⃗+b⃗=(x1+x2,y1+y2)\vec{a}+\vec{b}=(x_1+x_2,y_1+y_2)a+b=(x1+x2,y1+y2)

a⃗−b⃗=(x1−x2,y1−y2)\vec{a}-\vec{b}=(x_1-x_2,y_1-y_2)ab=(x1x2,y1y2)

λa⃗=(λx1,λx2)\lambda\vec{a}=(\lambda x_1,\lambda x_2)λa=(λx1,λx2)

a⃗⋅b⃗=x1x2+y1y2\vec{a}\cdot\vec{b}=x_1x_2+y_1y_2ab=x1x2+y1y2

关于平面向量

平面向量就介绍到这里,然而平面向量还有许多奇(du)妙(liu)的东西,也可以用来解决很多奇(du)妙(liu)的的问题……

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