2021-11-24 17:14:36

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代数
代数
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数学中,向量(也称为欧几里得向量、几何向量、矢量),指具有大小(magnitude)和方向的量。它可以形象化地表示为带箭头的线段。箭头所指:代表向量的方向;线段长度:代表向量的大小。与向量对应的只有大小,没有方向的量叫做数量(物理学中称标量)。 向量的记法:印刷体记作粗体的字母(如abuv);手写体在字母顶上加一小箭头“→”。 [1]  如果给定向量的起点(A)和终点(B),可将向量记作AB(并于顶上加→)。在空间直角坐标系中,也能把向量以数对形式表示,例如Oxy平面中(2,3)是一向量。 在物理学和工程学中,几何向量更常被称为矢量。许多物理量都是矢量,比如一个物体的位移,球撞向墙而对其施加的力等等。与之相对的是标量,即只有大小而没有方向的量。一些与向量有关的定义亦与物理概念有密切的联系,例如向量势对应于物理中的势能。

几何向量的概念在线性代数中经由抽象化,得到更一般的向量概念。此处向量定义为向量空间的元素,要注意这些抽象意义上的向量不一定以数对表示,大小和方向的概念亦不一定适用。因此,平日阅读时需按照语境来区分文中所说的"向量"是哪一种概念。不过,依然可以找出一个向量空间的基来设置坐标系,也可以通过选取恰当的定义,在向量空间上介定范数和内积,这允许我们把抽象意义上的向量类比为具体的几何向量。

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基本信息

  • 中文名

    向量

  • 外文名

    vector

折叠 编辑本段 定义

数学中,既有大小又有方向且遵循平行四边形法则的量叫做向量(vector)。向量向量有方向与大小,分为自由向量与固定向量。

数学中,把只有大小但没有方向的量叫做数量物理中称为标量。例如距离、质量、密度、温度等。

注:在线性代数中(实数空间/复数空间)的向量是指n个实数/复数组成的有序数组,称为n维向量。α=(a1,a2,…,an) 称为n维向量。其中ai称为向量α的第i个分量。

("a1"的"1"为a的下标,"ai"的"i"为a的下标,其他类推)

在编程语言中,也存在向量。向量有起点,有方向。常用一个带箭头的线段表示。

折叠 编辑本段 来源

向量,最初被应用于物理学.很多物理量如力、速度、位移以及电场强 向量度、磁感应强度等都是向量.大约公元前350年前,古希腊著名学者亚里士多德就知道了力可以表示成向量,两个力的组合作用可用著名的平行四边形法则来得到.“向量”一词来自力学、解析几何中的有向线段.最先使用有向线段表示向量的是英国大科学家牛顿

从数学发展史来看,历史上很长一段时间,空间的向量结构并未被数学家们所认识,直到19世纪末20世纪初,人们才把空间的性质与向量运算联系起来,使向量成为具有一套优良运算通性的数学体系.

向量能够进入数学并得到发展,首先应从复数的几何表示谈起.18世纪末期,挪威测量学家威塞尔首次利用坐标平面上的点来表示复数a+bi(a,b为有理数,且不同时等于0),并利用具有几何意义的复数运算来定义向量的运算.把坐标平面上的点用向量表示出来,并把向量的几何表示用于研究几何问题与三角问题.人们逐步接受了复数,也学会了利用复数来表示和研究平面中的向量,向量就这样平静地进入了数学中.

复数的利用是受限制的,因为它仅能用于表示平面,若有不在同一平面上的力作用于同一物体,则需要寻找所谓三维“复数”以及相应的运算体系.19世纪中期,英国数学家哈密尔顿发明了四元数(包括数量部分和向量部分),以代表空间的向量.他的工作为向量代数和向量分析的建立奠定了基础.随后,电磁理论的发现者,英国的数学物理学家麦克斯韦把四元数的数量部分和向量部分分开处理,从而创造了大量的向量分析.

三维向量分析的开创,以及同四元数的正式分裂,是英国的居伯斯和海维塞德于19世纪80年代各自独立完成的.他们提出,一个向量不过是四元数的向量部分,但不独立于任何四元数.他们引进了两种类型的乘法,即数量积和向量积.并把向量代数推广到变向量的向量微积分.从此,向量的方法被引进到分析和解析几何中来,并逐步完善,成为了一套优良的数学工具。

折叠 编辑本段 表示

折叠 代数表示

一般印刷用黑体小写字母α、β、γ…或a、b、c… 等来表示,手写用在a、b、c…等字母上加一箭头表示。

折叠 几何表示

向量可以用有向线段来表示。有向线段的长度表示向量的大小,向量的大小,也就是向量的长度。长度为0的向量叫做零向量,记作0.长度等于1个单位的向量,叫做单位向量。箭头所指的方向表示向量的方向。(若规定线段AB的端点A为起点,B为终点,则线段就具有了从起点A到终点B的方向和长度。这种具有方向和长度的线段叫做有向线段。)

折叠 坐标表示

1) 在平面直角坐标系中,分别取与x轴、y轴方向相同的两个单位向量 向量机器模型i,j作为一组基底。a为平面直角坐标系内的任意向量,以坐标原点O为起点作向量OP=a。由平面向量基本定理知,有且只有一对实数(x,y),使得a=向量OP=xi+yj,因此把实数对(x,y)叫做向量a的坐标,记作a=(x,y)。这就是向量a的坐标表示。其中(x,y)就是点P的坐标。向量OP称为点P的位置向量。

2) 在立体三维坐标系中,分别取与x轴、y轴,z轴方向相同的3个单位向量i,j,k作为一组基底。若a为该坐标系内的任意向量,以坐标原点O为起点作向量OP=a。由空间基本定理知,有且只有一组实数(x,y, z) 向量的坐标表示,使得a=向量OP=xi+yj+zk,因此把实数对(x,y, z)叫做向量a的坐标,记作a=(x,y, z)。这就是向量a的坐标表示。其中(x,y, z),也就是点P的坐标。向量OP称为点P的位置向量。

3) 当然,对于多维的空间向量,可以通过类推得到,此略。

折叠 编辑本段 模和数量

向量的大小,也就是向量的长度(或称模)。向量a的模记作|a|。

注:

1.向量的模是非负实数,是可以比较大小的。向量a=(x,y), |a|=√(x^2+y^2)。

2.因为方向不能比较大小,所以向量也就不能比较大小。对于向量来说“大于”和“小于”的概念是没有意义的。例如,“向量AB>向量CD”是没有意义的。

折叠 编辑本段 向量单位向量

长度为一个单位(即模为1)的向量,叫做单位向量.与向量a同向或反向,且长度为单位1的向量,叫做a方向上的单位向量,记作a0,a0=a/|a|。

负向量

如果向量AB与向量CD的模相等且方向相反,那么我们把向量AB叫做向量CD的负向量

零向量

长度为0的向量叫做零向量,记作0.零向量的始点和终点重合,所以零向量没有确定的方向,或说零向量的方向是任意的。在处理平行问题时,通常规定零向量与任意向量平行。

相等向量

长度相等且方向相同的向量叫做相等向量.向量a与b相等,记作a=b

规定:所有的零向量都相等.

当用有向线段表示向量时,起点可以任意选取。任意两个相等的非零向量,都可用同一条有向线段来表示,并且与有向线段的起点无关.同向且等长的有向线段都表示同一向量。

折叠 自由向量

始点不固定的向量,它可以任意的平行移动,而且移动后的向量仍然代表原来的向量。

在自由向量的意义下,相等的向量都看作是同一个向量。

数学中只研究自由向量。

滑动向量

沿着直线作用的向量称为滑动向量。

固定向量

作用于一点的向量称为固定向量(亦称胶着向量)。

折叠 向量

位置向量

对于坐标平面内的任意一点P,我们把向量OP叫做点P的位置向量,记作:向量P。

方向向量

直线l上的向量a以及与向量a共线的向量叫做直线l上的方向向量

相反向量

与a长度相等、方向相反的向量叫做a的相反向量,记作-a。有 -(-a)=a

零向量的相反向量仍是零向量。

平行向量

方向相同或相反的非零向量叫做平行(或共线)向量.向量a、b平行(共线),记作ab

零向量长度为零,是起点与终点重合的向量,其方向不确定,我们规定:零向量与任一向量平行.

平行于同一直线的一组向量是共线向量。若a=(x,y),b=(m,n)。

a//b=>xn-ym=0

共面向量

平行于同一平面的三个(或多于三个)向量叫做共面向量。

空间中的向量有且只有以下两种位置关系:⑴共面;⑵不共面。

注意:只有三个或三个以上向量才谈共面不共面。

法向量

直线l⊥α,取直线l的方向向量a,则向量a叫做平面α的法向量。

位置向量

给任意一点O和向量a,过点O做有向线段OA=a,则点A相对于点O的位置被向量a所谓以确定,这时向量OA,又常叫做点A相对于点O的位置向量。

折叠 编辑本段 运算

设a=(x,y),b=(x',y')。

折叠 向量的加法

向量的加法满足平行四边形法则和三角形法则。 向量的加法OB+OA=OC。

a+b=(x+x',y+y')。

a+0=0+a=a。

向量加法的运算律:

交换律:a+b=b+a;

结合律:(a+b)+c=a+(b+c)。[1]

折叠 向量的减法

如果a、b是互为相反的向量,那么a=-b,b=-a,a+b=0. 0的反向量为0

AB-AC=CB.即“共同起点,指向被减向量”

a=(x,y)b=(x',y') 则a-b=(x-x',y-y').

如图:c=a-b 以b的结束为起点,a的结束为终点。

折叠 向量的数乘

实数λ和向量a的乘积是一个向量,记作λa,且∣λa∣=∣λ∣

∣a∣。

当λ>0时,λa与a同方向

当λ<0时,λa与a反方向; 向量的数乘当λ=0时,λa=0,方向任意。

当a=0时,对于任意实数λ,都有λa=0。

注:按定义知,如果λa=0,那么λ=0或a=0。

实数λ叫做向量a的系数,乘数向量λa的几何意义就是将表示向量a的有向线段伸长或压缩。

当λ>1时,表示向量a的有向线段在原方向(λ>0)或反方向(λ<0)上伸长为原来的∣λ∣倍

当λ<1时,表示向量a的有向线段在原方向(λ>0)或××反方向(λ<0)上缩短为原来的∣λ∣倍。

数与向量的乘法满足下面的运算律

结合律:(λa)·b=λ(a·b)=(a·λb)。

向量对于数的分配律(第一分配律):(λ+μ)a=λa+μa.

数对于向量的分配律(第二分配律):λ(a+b)=λa+λb.

数乘向量的消去律:① 如果实数λ≠0且λa=λb,那么a=b。② 如果a≠0且λa=μa,那么λ=μ。[2]

折叠 向量的数量积

定义:已知两个非零向量a,b。作OA=a,OB=b,则角AOB称作向量a和向量b的夹角,记作〈a,b〉并规定0≤〈a,b〉≤π

定义:两个向量的数量积(内积、点积)是一个数量(没有方向),记作a·b。若a、b不共线,则a·b=|a|·|b|·cos〈a,b〉(依定义有:cos〈a,b〉=a·b / |a|·|b|);若a、b共线,则a·b=±∣a∣∣b∣。

向量的数量积的坐标表示:a·b=x·x'+y·y'。

向量的数量积的运算律

a·b=b·a(交换律)

(λa)·b=λ(a·b)(关于数乘法的结合律)

(a+b)·c=a·c+b·c(分配律)

向量的数量积的性质

a·a=|a|的平方。

a⊥b〈=〉a·b=0。

|a·b|≤|a|·|b|。(该公式证明如下:|a·b|=|a|·|b|·|cosα| 因为0≤|cosα|≤1,所以|a·b|≤|a|·|b|)

向量的数量积与实数运算的主要不同点

1.向量的数量积不满足结合律,即:(a·b)·c≠a·(b·c);例如:(a·b)^2≠a^2·b^2。

2.向量的数量积不满足消去律,即:由a·b=a·c(a≠0),推不出b=c。

3.|a·b|与|a|·|b|不等价

4.由 |a|=|b| ,推不出a=b或a=-b。

折叠 向量的向量积

定义:两个向量a和b的向量积向量的几何表示(外积、叉积)是一个向量,记作a×b(这里“×”并不是乘号,只是一种表示方法,与“·”不同,也可记做“∧”)。若a、b不共线,则a×b的模是:∣a×b∣=|a|·|b|·sin〈a,b〉;a×b的方向是:垂直于a和b,且a、b和a×b按这个次序构成右手系。若a、b平行,则a×b=0,a、b垂直,则a×b=|a|*|b|。

折叠 向量的向量积性质

∣a×b∣是以a和b为边的平行四边形面积。

a×a=0。

a垂直b〈=〉a×b=0

折叠 向量的向量积运算律

a×b=-b×a

(λa)×b=λ(a×b)=a×(λb)

a×(b+c)=a×b+a×c.

注:向量没有除法,“向量AB/向量CD”是没有意义的。

折叠 三向量的混合积

定义:给定空间三向量a、b、c,向量a、b的向量积a×b,再和向量c作数量积(a×b)·c, 向量的混合积所得的数叫做三向量a、b、c的混合积,记作(a,b,c)或(abc),即(abc)=(a,b,c)=(a×b)·c

混合积具有下列性质:

1.三个不共面向量a、b、c的混合积的绝对值等于以a、b、c为棱的平行六面体的体积V,并且当a、b、c构成右手系时混合积是正数;当a、b、c构成左手系时,混合积是负数,即(abc)=εV(当a、b、c构成右手系时ε=1;当a、b、c构成左手系时ε=-1)

2.上性质的推论:三向量a、b、c共面的充要条件是(abc)=0

3.(abc)=(bca)=(cab)=-(bac)=-(cba)=-(acb)

4.(a×b)·c=a·(b×c)

折叠 例题

正方形ABCD,EFGA,CHIK首尾相连,L是EH中点,求证LB⊥GK?

设AE=a﹙向量﹚, AG=a', AD=c, AB=c', CH=b,CK=b'有 aa'=bb'=cc'=0, a2=a'2, b2=b'2 ,c2=c'2,a'b=ab',a'c'=-ac,a'c=ac', bc=b'c'. b'c=-bc'﹙*﹚FH=-a+c+c'+b LB=FH/2-b-c=﹙-a-c+c'-b﹚/2, GK=-a'+c'+c+b'从﹙*﹚:﹙-a-c+c'-b﹚·﹙-a'+c'+c+b'﹚=……=0. ∴LB⊥GK

三向量二重向量积

由于二重向量叉乘的计算较为复杂,于是直接给出了下列化简公式以及证明过程:

二重向量叉乘化简公式及证明

折叠 编辑本段 三角形不等式

1、∣∣a∣-∣b∣∣≤∣a+b∣≤∣a∣+∣b∣

① 当且仅当a、b反向时,左边取等号

② 当且仅当a、b同向时,右边取等号。

2.∣∣a∣-∣b∣∣≤∣a-b∣≤∣a∣+∣b∣。

① 当且仅当a、b同向时,左边取等号

② 当且仅当a、b反向时,右边取等号。

折叠 向量空间定义

设V为n维向量的集合,如果集合V非空,且集合V对于加法及乘数两种运算封闭,那么就称集合V为向量空间。

同构

在域F上的两个向量空间V与V' ,如果存在一个双射φ:V→V'并且φ(αu+bv)=αφ(u)+bφ(v),a,b∈F,u,v∈V.这样V与V' 便是同构。

折叠 映射

给两个向量空间V和W在同一个F场,设定由V到W的线性变换或“线性映射” . 这些由V到W的映射都有共同点就是它们保持总和及标量商数。这个集合包含所有由V到W的线性映像,以 L(V,W) 来描述,也是一个F场里的向量空间。当V及W被确定后,线性映射可以用矩阵来表达。同构是一对一的一张线性映射。如果在V 和W之间存在同构, 我们称这两个空间为同构;他们根本上是然后相同的。一个在F场的向量空间加上线性映像就可以构成一个范畴,即阿贝尔范畴。

延伸

折叠 研究向量空间一般会涉及一些额外结构。

额外结构如下:

一个实数或复数向量空间加上长度概念。就是范数称为赋范向量空间。

一个实数或复数向量空间加上长度和角度的概念,称为内积空间。

一个向量空间加上拓扑学符合运算的(加法及标量乘法是连续映射)称为拓扑向量空间。

一个向量空间加上双线性算子(定义为向量乘法)是个域代数。

折叠 子空间及基

一个向量空间V的一个非空子集合W在加法及标量乘法中表现密闭性,被称为V的线性子空间。给出一个向量集合B,那么包含它的最小子空间就称为它的扩张,记作span(B)。给出一个向量集合B,若它的扩张就是向量空间V, 则称B为V的生成集。一个向量空间V最大的线性独立子集,称为这个空间的基。若V=0,唯一的基是空集。对非零向量空间 V,基是 V 最小的生成集。如果一个向量空间 V 拥有一个元素个数有限的生成集,那么就称V是一个有限维空间。向量空间的所有基拥有相同基数,称为该空间的维度。例如,实数向量空间:R0,R1,R2,R3。。。,R∞,。。。中,Rn 的维度就是n。空间内的每个向量都有唯一的方法表达成基中元素的线性组合。把基中元素排列,向量便可以坐标系统来呈现。

折叠 编辑本段 定比分点

折叠 定比分点公式

设P1、P2是直线上的两点,P是l上不同于P1、P2的任意一点。则存在一个任意实数 λ且λ不等于-1,使 向量P1P=λ·向量PP2,λ叫做点P分有向线段P1P2所成的比。

若P1(x1,y1),P2(x2,y2),P(x,y),则有

OP=(OP1+λOP2)/(1+λ);(定比分点向量公式)

x=(x1+λx2)/(1+λ),

y=(y1+λy2)/(1+λ)。(定比分点坐标公式)

我们把上面的式子叫做有向线段P1P2的定比分点公式

折叠 三点共线定理

已知0是AB所在直线外一点,若OC=λOA+μOB ,且λ+μ=1 ,则A、B、C三点共线

三角形重心判断式

在△ABC中,若GA+GB+GC=O,则G为△ABC的重心

折叠 编辑本段 向量共线条件

若b≠0,则a//b的重要条件是存在唯一实数λ,使a=λb。

若设a=(x1,y1),b=(x2,y2),则有x1y2=x2y1。

零向量0平行于任何向量。

向量垂直的充要条件

a⊥b的充要条件是a·b=0,即x1x2+y1y2=0。

平面向量的分解定理

平面向量分解定理:如果e1、e2是同一平面内的两个不平行向量,那么对于这一平面内的任一向量,有且只有一对实数λ1,λ2使a=λ1e1+λ2e2我们把不平行向量e1、e2叫做这一平面内所有向量的一基底.

矩阵在三维图形学中的应用

矩阵在3D图形中,常用于描述图形变换,平移,旋转,放缩等。

编辑本段向量法解题

平面向量是新教材改革增加的内容之一,近几年的全国使用新教材的高考试题逐渐加大了对这部分内容的考查力度,本节内容主要是帮助考生运用向量法来分析,解决一些相关问题.

三角形ABC中,A(5,-1)、B(-1,7)、C(1,2),求:(1)BC边上的中线

AM的长;(2)∠CAB的平分线AD的长;(3)cosABC的值。

[例1]如图,已知平行六面体ABCD—A1B1C1D1的底面?ABCD是菱形,且∠C1CB=∠C1CD=∠BCD.

(1)求证:C1C⊥BD.

(2)当 的值为多少时,能使A1C⊥平面C1BD?请给出证明。

命题意图:本题主要考查考生应用向量法解决向量垂直,夹角等问题以及对立体几何图形的解读能力.

知识依托:解答本题的闪光点是以向量来论证立体几何中的垂直问题,这就使几何问题代数化,使繁琐的论证变得简单。

错解分析:本题难点是考生理不清题目中的线面位置关系和数量关系的相互转化,再就是要清楚已知条件中提供的角与向量夹角的区别与联系.

技巧与方法:利用a⊥b a·b=0来证明两直线垂直,只要证明两直线对应的向量的数量积为零即可。

(1)证明:设 =a, =b, =c,依题意,|a|=|b|, 、 、? 中两两所成夹角为θ,于是 =a-b, =c(a-b)=c·a-c·b=|c|·|a|cosθ-|c|·|b|cosθ=0,∴C1C⊥BD.

(2)解:若使A1C⊥平面C1BD,只须证A1C⊥BD,A1C⊥DC1,

=(a+b+c)·(a-c)=|a|+a·b-b·c-|c|=|a|-|c|+|b|·|a|cosθ-|b|·|c|·cosθ=0,得

当|a|=|c|时,A1C⊥DC1,同理可证当|a|=|c|时,A1C⊥BD,

∴ =1时,A1C⊥平面C1BD.

[例2]如图,直三棱柱ABC—A1B1C1,底面△ABC中,CA=CB=1,∠BCA=90°,AA1=2,M、N分别是A1B1、A1A的中点。

(1)求 的长

(2)求cos< >的值

(3)求证:A1B⊥C1M.

命题意图:本题主要考查考生运用向量法中的坐标运算的方法来解决立体几何问题。

知识依托:解答本题的闪光点是建立恰当的空间直角坐标系O-xyz,进而找到点的坐标和求出向量的坐标。

错解分析:本题的难点是建系后,考生不能正确找到点的坐标.

技巧与方法:可以先找到底面坐标面xOy内的A、B、C点坐标,然后利用向量的模及方向来找出其他的点的坐标。

(1)解:如图,以C为原点建立空间直角坐标系O-xyz.

依题意得:B(0,1,0),N(1,0,1)

∴| |= .

(2)解:依题意得:A1(1,0,2),C(0,0,0),B1(0,1,2).

∴ = =(0,1,2)

=1×0+(-1)×1+2×2=3

| |=

(3)证明:依题意得:C1(0,0,2),M( )

∴A1B⊥C1M.

1.解决关于向量问题时,一要善于运用向量的平移、伸缩、合成、分解等变换,正确地进行向量的各种运算,加深对向量的本质的认识。二是向量的坐标运算体现了数与形互相转化和密切结合的思想.

2.向量的数量积常用于有关向量相等,两向量垂直、射影、夹角等问题中。常用向量的直角坐标运算来证明向量的垂直和平行问题;利用向量的夹角公式和距离公式求解空间两条直线的夹角和两点间距离的问题.

3.用空间向量解决立体几何问题一般可按以下过程进行思考:

(1)要解决的问题可用什么向量知识来解决?需要用到哪些向量?

(2)所需要的向量是否已知?若未知,是否可用已知条件转化成的向量直接表示?

(3)所需要的向量若不能直接用已知条件转化成的向量表示,则它们分别最易用哪个未知向量表示?这些未知向量与由已知条件转化的向量有何关系?

折叠 编辑本段 向量公式

1.单位向量:单位向量a0=向量a/|向量a|

2.P(x,y)那么向量OP=x向量i+y向量j

|向量OP|=根号(x平方+y平方)

3.P1(x1,y1)P2(x2,y2)

那么向量P1P2={x2-x1,y2-y1}

|向量P1P2|=根号[(x2-x1)平方+(y2-y1)平方]

4.向量a={x1,x2}向量b={x2,y2}

向量a*向量b=|向量a|*|向量b|*Cosα=x1x2+y1y2

Cosα=向量a*向量b/|向量a|*|向量b|

(x1x2+y1y2)

=————————————————————

根号(x1平方+y1平方)*根号(x2平方+y2平方)

5.空间向量:同上推论

(提示:向量a={x,y,z})

6.充要条件:

如果向量a⊥向量b

那么向量a*向量b=0

如果向量a//向量b

那么向量a*向量b=±|向量a|*|向量b|

或者x1/x2=y1/y2

7.|向量a±向量b|平方

=|向量a|平方+|向量b|平方±2向量a*向量b

=(向量a±向量b)平方

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