平面向量

向量是既有大小又有方向的量;线性运算含加、减、数乘;数量积 a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θa\cdot b=|a||b|\cos\theta;坐标表示下 a=(x,y)a=(x,y)、a⋅b=x1x2+y1y2a\cdot b=x_1x_2+y_1y_2。

适用前提与边界条件

  1. 已掌握平面直角坐标系
  2. 已理解勾股定理与距离公式

定义

向量:既有大小又有方向的量叫向量。向量常用有向线段表示,记作 (从 指向 )或用小写字母加箭头 。

向量的基本概念:

  • 模:向量 的大小,记 ;
  • 零向量:模为 的向量,记 ,方向任意;
  • 单位向量:模为 的向量;
  • 平行向量:方向相同或相反的非零向量,记 ;
  • 相等向量:模相等且方向相同的向量,记 。

推导

向量线性运算:

  1. 加法:三角形法则(首尾相接,从首到末);平行四边形法则(同起点作邻边,对角线即和向量)。
  2. 减法:(同起点,从 末点指向 末点)。
  3. 数乘: 是与 平行的向量,,方向由 正负决定。

数量积(点积):设 、 分别为两向量模, 为它们夹角():

性质:

  • ;
  • ( 均非零时);
  • 。

坐标表示:在平面直角坐标系中,设 、,则:

运算坐标公式
加法
减法
数乘
模
数量积
夹角余弦
平行充要条件
垂直充要条件

典例精析

例 1:已知 、,求 、、、 与 的夹角。

  • ;
  • ;
  • ;
  • ,,,故 。

例 2:已知 、、,求 与 的夹角。

,故 。

例 3:已知 、,且 ,求 。

由 知 ,。

对比

项目数量(标量)向量
性质只有大小有大小和方向
比较大小可以不可以(只能比模)
加法代数和三角形 / 平行四边形法则
乘法代数积数乘(标量乘)、数量积(点积)、向量积(叉积,高中不学)

正例与反例

✅ 正例

  • 向量 a⃗=(3,4)\vec{a}=(3,4),模 ∣a⃗∣=32+42=5|\vec{a}|=\sqrt{3^2+4^2}=5
  • 若 a⃗=(1,2)\vec{a}=(1,2)、b⃗=(3,−1)\vec{b}=(3,-1),则 a⃗⋅b⃗=1×3+2×(−1)=1\vec{a}\cdot\vec{b}=1\times 3+2\times(-1)=1

❌ 反例

  • 写 ∣a⃗+b⃗∣=∣a⃗∣+∣b⃗∣|\vec{a}+\vec{b}|=|\vec{a}|+|\vec{b}| 是错的,应为 ∣a⃗+b⃗∣≤∣a⃗∣+∣b⃗∣|\vec{a}+\vec{b}|\le|\vec{a}|+|\vec{b}|(三角形不等式)
  • 写 a⃗⋅b⃗=0⇒a⃗=0⃗\vec{a}\cdot\vec{b}=0\Rightarrow\vec{a}=\vec{0} 或 b⃗=0⃗\vec{b}=\vec{0} 是错的,可能 a⃗⊥b⃗\vec{a}\perp\vec{b}

高频误解与考试易错

  • 把向量当作实数比较大小(向量只有相等与不等,不能比大小)
  • 混淆 a⃗⋅b⃗\vec{a}\cdot\vec{b}(数量积,结果为数)与 a⃗×b⃗\vec{a}\times\vec{b}(向量积,高中不学)
  • 数量积运算 (a⃗⋅b⃗)⋅c⃗(\vec{a}\cdot\vec{b})\cdot\vec{c} 不满足结合律(结果与 c⃗\vec{c} 同向,前后不同)
  • 坐标运算时把向量末点坐标直接当作向量坐标(应是末点减始点)

常见问题

向量与数量的区别是什么?
数量只有大小(如长度、温度),向量既有大小又有方向(如位移、力)。向量不能比较大小,但可比较模(大小)。
数量积的几何意义是什么?
数量积 a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡θ\vec{a}\cdot\vec{b}=|\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta,几何上是 ∣a⃗∣|\vec{a}| 与 ∣b⃗∣|\vec{b}| 在 a⃗\vec{a} 方向上投影 ∣b⃗∣cos⁡θ|\vec{b}|\cos\theta 的乘积。结果是一个实数。
两个向量垂直的充要条件?
数量积为零:a⃗⋅b⃗=0\vec{a}\cdot\vec{b}=0(充要条件,含零向量情形)。在坐标表示下 x1x2+y1y2=0x_1x_2+y_1y_2=0。
向量平行的充要条件?
存在实数 λ\lambda 使 a⃗=λb⃗\vec{a}=\lambda\vec{b}(b⃗≠0⃗\vec{b}\ne\vec{0});坐标表示下 x1y2−x2y1=0x_1y_2-x_2y_1=0。

依据与出处

  • 人教 A 版(2019 审定)必修第二册 第六章《平面向量及其应用》