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向量的几何运算——平行四边形法则、三角形法则、向量回路、向量的直角坐标表示、代数运算——解析几何漫谈(九)

 zhangshoupen 2025-01-13 发布于广西

收录于《解析几何》,同时收录于《白话高中数学》,点击可以阅读全部文章。

配套练习请参阅《解析几何十年真题》

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在实数系中,我们熟知实数的加、减、乘、除、幂运算等等。
但向量既有大小又有方向,它的运算迥异于我们熟悉的实数运算。
首先是向量的加法和减法运算。
向量是一个数学概念,但它的婴儿时期,与物理学的矢量概念密切相关,那么向量不同方向上的加减运算也必定遵从矢量加减的等效原则,也就是两个不同方向的向量加减,遵从向量的平行四边形法则。
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如上图:
向量OC和向量OD相加,我们可以把向量OD平移到向量CG,把向量OC平移到向量DG,形成一个平行四边形,我们就可以得到平行四边形的对角线OG,向量OG就是向量OC和向量OD相加的等价向量,也就是:
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同理,如果向量EF等价于向量CG,那么二者相加,也可以把它平移到CG的位置,然后利用平行四边形法则,得到结果:
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向量的平行四边形法则,又可以演化成向量加法的三角形法则,如上图:
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也就是说,如果两个向量首尾相连,那么两向量的和就是从起点指向终点的向量。
规定:向量的加法,满足结合率和交换律,即:0+a=a+0=a,具体到本例也就是:
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上述交换律,其实也可以根据自由向量的平移等价性得到验证:把向量CG平移到向量OD,把向量OC平移到向量DG,现在两向量又变成首尾相连,根据向量相加的三角形法则,即可得到:
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向量相减,其实就是被减数加上减数向量的相反向量,也就是:
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还是在上图中:
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运算遵从的依旧是首尾相连的三角形法则。
我们看到,两向量相加的三角形法则,可以形成一个向量相加的回路,两向量相加,它的结果向量总是从第一个向量的起点指向第二个向量的终点。
根据这个特点,多个向量相加,只要符合首尾相连的特征,我们就可以利用加法结合律,首先计算前两项的结果,然后顺次两两相加,得到最终的和向量:
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当然,后面两项你完全可以不用首先加起来,直接采用顺次相加的办法,依旧可以得到相同的结果。
这种向量加法的闭环形式,就是我们常说的向量回路。
根据这个特点,我们无需考虑上述多个向量是否存在于同一个平面内,只要是能找到多个向量首尾相连的特征,我们就可以直接得到结果向量。
利用这种向量回路,有时可以在平面几何或者立体几何的图形证明中收到奇效,可以拓宽我们的解题思路,或者减少代数运算的计算量。

向量除了这种几何运算方法之外,还可以进行坐标运算。
如下图:
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在直角坐标系中,无论向量OZ在哪,都可以把它的起始点平移到原点的位置,从终点Z分别向x轴和y轴做垂线,和两坐标轴相交,可以得到唯一的坐标值ab,这样我们就可以把向量OZx轴和y轴的投影向量,分别定义为向量ai和向量bj,其中向量i和向量j分别是x轴和y轴上的单位向量(此处把它们选做一组基底向量)。
根据平行四边形法则,向量OZ就可以可以写成:
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这样,我们把向量OZ用直角坐标(a,b)来唯一表示,是不会引起任何误解的,所以向量OZ又可以写成:
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这就是向量的坐标表示。
现在我们把另一个向量OA加入进来:
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向量OA也可以用A点的直角坐标进行唯一表示:
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现在我们让向量OA和向量OZ相加。
根据平行四边形法则,和是向量OB,显然,向量OB也可以写成:
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由此我们可以得出向量加法的坐标运算结果:
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也就是说,两向量相加,其实就是两向量的坐标对应相加。
同理,我们也可以知道,两向量相减,就是两向量坐标对应相减。
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