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### 定义及相关概念

 **向量** ：既有大小又有方向的量称为向量。数学上研究的向量为 **自由向量** ，即只要不改变它的大小和方向，起点和终点可以任意平行移动的向量。记作 $\vec a$ 或 $\bm{a}$ 。

 **向量** ：既有大小又有方向的量称为向量。数学上研究的向量为 **自由向量** ，即只要不改变它的大小和方向，起点和终点可以任意平行移动的向量。记作 $\vec a$ 或 $\boldsymbol{a}$ 。

 **有向线段** ：带有方向的线段称为有向线段。有向线段有三要素： **起点，方向，长度** ，知道了三要素，终点就唯一确定。我们用有向线段表示向量。

 **向量的模** ：有向线段 $\overrightarrow{AB}$ 的长度称为向量的模，即为这个向量的大小。记为： $|\overrightarrow{AB}|$ 或 $|\bm{a}|$ 。

 **向量的模** ：有向线段 $\overrightarrow{AB}$ 的长度称为向量的模，即为这个向量的大小。记为： $|\overrightarrow{AB}|$ 或 $|\boldsymbol{a}|$ 。

 **零向量** ：模为 $0$ 的向量。零向量的方向任意。记为： $\vec 0$ 或 $\bm{0}$ 。

 **零向量** ：模为 $0$ 的向量。零向量的方向任意。记为： $\vec 0$ 或 $\boldsymbol{0}$ 。

 **单位向量** ：模为 $1$ 的向量称为该方向上的单位向量。

 **平行向量** ：方向相同或相反的两个 **非零** 向量。记作： $\bm a\parallel \bm b$ 。对于多个互相平行的向量，可以任作一条直线与这些向量平行，那么任一组平行向量都可以平移到同一直线上，所以平行向量又叫 **共线向量** 。

 **平行向量** ：方向相同或相反的两个 **非零** 向量。记作： $\boldsymbol a\parallel \boldsymbol b$ 。对于多个互相平行的向量，可以任作一条直线与这些向量平行，那么任一组平行向量都可以平移到同一直线上，所以平行向量又叫 **共线向量** 。

 **相等向量** ：模相等且方向相同的向量。

 **相反向量** ：模相等且方向相反的向量。

 **向量的夹角** ：已知两个非零向量 $\bm a,\bm b$ ，作 $\overrightarrow{OA}=\bm a,\overrightarrow{OB}=\bm b$ ，那么 $\theta=\angle AOB$ 就是向量 $\bm a$ 与向量 $\bm b$ 的夹角。记作： $\langle \bm a,\bm b\rangle$ 。显然当 $\theta=0$ 时两向量同向， $\theta=\pi$ 时两向量反向， $\theta=\frac{\pi}{2}$ 时我们说两向量垂直，记作 $\bm a\perp \bm b$ 。并且，我们规定 $\theta \in [0,\pi]$ 。

 **向量的夹角** ：已知两个非零向量 $\boldsymbol a,\boldsymbol b$ ，作 $\overrightarrow{OA}=\boldsymbol a,\overrightarrow{OB}=\boldsymbol b$ ，那么 $\theta=\angle AOB$ 就是向量 $\boldsymbol a$ 与向量 $\boldsymbol b$ 的夹角。记作： $\langle \boldsymbol a,\boldsymbol b\rangle$ 。显然当 $\theta=0$ 时两向量同向， $\theta=\pi$ 时两向量反向， $\theta=\frac{\pi}{2}$ 时我们说两向量垂直，记作 $\boldsymbol a\perp \boldsymbol b$ 。并且，我们规定 $\theta \in [0,\pi]$ 。

注意到平面向量具有方向性，我们并不能比较两个向量的大小（但可以比较两向量的模长）。但是两个向量可以相等。

这样，向量的加法就具有了几何意义。并且可以验证，向量的加法满足 **交换律与结合律** 。

因为实数的减法可以写成加上相反数的形式，我们考虑在向量做减法时也这么写。即： $\bm a-\bm b=\bm a+(-\bm b)$ 。

因为实数的减法可以写成加上相反数的形式，我们考虑在向量做减法时也这么写。即： $\boldsymbol a-\boldsymbol b=\boldsymbol a+(-\boldsymbol b)$ 。

这样，我们考虑共起点的向量，按照平行四边形法则做出它们的差，经过平移后可以发现 **「共起点向量的差向量」是由「减向量」指向「被减向量」的有向线段** 。

#### 向量的数乘

规定「实数 $\lambda$ 与向量 $\bm a$ 的积」为一个向量，这种运算就是向量的 **数乘运算** ，记作 $\lambda \bm a$ ，它的长度与方向规定如下：

规定「实数 $\lambda$ 与向量 $\boldsymbol a$ 的积」为一个向量，这种运算就是向量的 **数乘运算** ，记作 $\lambda \boldsymbol a$ ，它的长度与方向规定如下：

1.   $|\lambda \bm a|=|\lambda||\bm a|$ ；

2.  当 $\lambda >0$ 时， $\lambda\bm a$ 与 $\bm a$ 同向，当 $\lambda =0$ 时， $\lambda \bm a=\bm 0$ ，当 $\lambda<0$ 时， $\lambda \bm a$ 与 $\bm a$ 方向相反。

1.   $|\lambda \boldsymbol a|=|\lambda||\boldsymbol a|$ ；

2.  当 $\lambda >0$ 时， $\lambda\boldsymbol a$ 与 $\boldsymbol a$ 同向，当 $\lambda =0$ 时， $\lambda \boldsymbol a=\boldsymbol 0$ ，当 $\lambda<0$ 时， $\lambda \boldsymbol a$ 与 $\boldsymbol a$ 方向相反。

我们根据数乘的定义，可以验证有如下运算律：

$$

\lambda(\mu \bm a)=(\lambda \mu)\bm a\\

(\lambda+\mu)\bm a=\lambda \bm a+\mu \bm a\\

\lambda(\bm a+\bm b)=\lambda \bm a+\lambda \bm b

\lambda(\mu \boldsymbol a)=(\lambda \mu)\boldsymbol a\\

(\lambda+\mu)\boldsymbol a=\lambda \boldsymbol a+\mu \boldsymbol a\\

\lambda(\boldsymbol a+\boldsymbol b)=\lambda \boldsymbol a+\lambda \boldsymbol b

$$

特别地，我们有：

$$

(-\lambda)\bm a=-(\lambda \bm a)=-\lambda(\bm a)\\

\lambda(\bm a-\bm b)=\lambda \bm a-\lambda \bm b

(-\lambda)\boldsymbol a=-(\lambda \boldsymbol a)=-\lambda(\boldsymbol a)\\

\lambda(\boldsymbol a-\boldsymbol b)=\lambda \boldsymbol a-\lambda \boldsymbol b

$$

#### 判定两向量共线

两个 **非零** 向量 $\bm a$ 与 $\bm b$ 共线 $\Leftrightarrow$ 有唯一实数 $\lambda$ ，使得 $\bm b=\lambda \bm a$ 。

两个 **非零** 向量 $\boldsymbol a$ 与 $\boldsymbol b$ 共线 $\Leftrightarrow$ 有唯一实数 $\lambda$ ，使得 $\boldsymbol b=\lambda \boldsymbol a$ 。

证明：由数乘的定义可知，对于 **非零** 向量 $\bm a$ ，如果存在实数 $\lambda$ ，使得 $\bm b=\lambda \bm a$ ，那么 $\bm a \parallel \bm b$ 。

证明：由数乘的定义可知，对于 **非零** 向量 $\boldsymbol a$ ，如果存在实数 $\lambda$ ，使得 $\boldsymbol b=\lambda \boldsymbol a$ ，那么 $\boldsymbol a \parallel \boldsymbol b$ 。

反过来，如果 $\bm a\parallel \bm b$ ， $\bm a \not = \bm 0$ ，且 $|\bm b|=\mu |\bm a|$ ，那么当 $\bm a$ 与 $\bm b$ 同向时， $\bm b=\mu \bm a$ ，反向时 $\bm b=-\mu \bm a$ 。

反过来，如果 $\boldsymbol a\parallel \boldsymbol b$ ， $\boldsymbol a \not = \boldsymbol 0$ ，且 $|\boldsymbol b|=\mu |\boldsymbol a|$ ，那么当 $\boldsymbol a$ 与 $\boldsymbol b$ 同向时， $\boldsymbol b=\mu \boldsymbol a$ ，反向时 $\boldsymbol b=-\mu \boldsymbol a$ 。

最后，向量的加，减，数乘统称为向量的线性运算。

#### 平面向量基本定理

定理内容：如果两个向量 $\bm{e_1},\bm{e_2}$ 不共线，那么存在唯一实数对 $(x,y)$ ，使得与 $\bm{e_1},\bm{e_2}$ 共面的任意向量 $\bm p$ 满足 $\mathbf p=x\bm{e_1}+y\bm{e_2}$ 。

定理内容：如果两个向量 $\boldsymbol{e_1},\boldsymbol{e_2}$ 不共线，那么存在唯一实数对 $(x,y)$ ，使得与 $\boldsymbol{e_1},\boldsymbol{e_2}$ 共面的任意向量 $\boldsymbol p$ 满足 $\mathbf p=x\boldsymbol{e_1}+y\boldsymbol{e_2}$ 。

平面向量那么多，我们想用尽可能少的量表示出所有平面向量，怎么办呢？

如果取与横轴与纵轴方向相同的单位向量 $i,j$ 作为一组基底，根据平面向量基本定理，平面上的所有向量与有序实数对 $(x,y)$ 一一对应。

而有序实数对 $(x,y)$ 与平面直角坐标系上的点一一对应，那么我们作 $\overrightarrow{OP}=\bm p$ ，那么终点 $P(x,y)$ 也是唯一确定的。由于我们研究的都是自由向量，可以自由平移起点，这样，在平面直角坐标系里，每一个向量都可以用有序实数对唯一表示。

而有序实数对 $(x,y)$ 与平面直角坐标系上的点一一对应，那么我们作 $\overrightarrow{OP}=\boldsymbol p$ ，那么终点 $P(x,y)$ 也是唯一确定的。由于我们研究的都是自由向量，可以自由平移起点，这样，在平面直角坐标系里，每一个向量都可以用有序实数对唯一表示。

### 平面向量的坐标运算

由平面向量的线性运算，我们可以推导其坐标运算，主要方法是将坐标全部化为用基底表示，然后利用运算律进行合并，之后表示出运算结果的坐标形式。

若两向量 $\bm a=(m,n)$ , $\bm b=(p,q)$ ，则：

若两向量 $\boldsymbol a=(m,n)$ , $\boldsymbol b=(p,q)$ ，则：

$$

\bm a+\bm b=(m+p,n+q)\\

\bm a-\bm b=(m-p,n-q)\\

k\bm a=(km,kn)

\boldsymbol a+\boldsymbol b=(m+p,n+q)\\

\boldsymbol a-\boldsymbol b=(m-p,n-q)\\

k\boldsymbol a=(km,kn)

$$

#### 求一个向量的坐标表示

### 向量的数量积

已知两个向量 $\bm a,\bm b$ ，它们的夹角为 $\theta$ ，那么：

已知两个向量 $\boldsymbol a,\boldsymbol b$ ，它们的夹角为 $\theta$ ，那么：

$$

\bm a \cdot \bm b=|\bm a||\bm b|\cos \theta

\boldsymbol a \cdot \boldsymbol b=|\boldsymbol a||\boldsymbol b|\cos \theta

$$

就是这两个向量的 **数量积** ，也叫 **点积** 或 **内积** 。其中称 $|\bm a|\cos \theta$ 为 $\bm a$ 在 $\bm b$ 方向上的投影。数量积的几何意义即为：数量积 $\bm a \cdot \bm b$ 等于 $\bm a$ 的模与 $\bm b$ 在 $\bm a$ 方向上的投影的乘积。

就是这两个向量的 **数量积** ，也叫 **点积** 或 **内积** 。其中称 $|\boldsymbol a|\cos \theta$ 为 $\boldsymbol a$ 在 $\boldsymbol b$ 方向上的投影。数量积的几何意义即为：数量积 $\boldsymbol a \cdot \boldsymbol b$ 等于 $\boldsymbol a$ 的模与 $\boldsymbol b$ 在 $\boldsymbol a$ 方向上的投影的乘积。

我们发现，这种运算得到的结果是一个实数，为标量，并不属于向量的线性运算。

#### 判定两向量垂直

 $\bm a \perp \bm b$  $\Leftrightarrow$  $\bm a\cdot \bm b=0$ 

 $\boldsymbol a \perp \boldsymbol b$  $\Leftrightarrow$  $\boldsymbol a\cdot \boldsymbol b=0$

#### 判定两向量共线

 $\bm a = \lambda \bm b$  $\Leftrightarrow$  $\bm a\cdot \bm b=|\bm a||\bm b|$ 

 $\boldsymbol a = \lambda \boldsymbol b$  $\Leftrightarrow$  $\boldsymbol a\cdot \boldsymbol b=|\boldsymbol a||\boldsymbol b|$

#### 数量积的坐标运算

若 $\bm a=(m,n),\bm b=(p,q),$ 则 $\bm a\cdot \bm b=mp+nq$ 

若 $\boldsymbol a=(m,n),\boldsymbol b=(p,q),$ 则 $\boldsymbol a\cdot \boldsymbol b=mp+nq$

#### 向量的模

 $|\bm a|=\sqrt {m^2+n^2}$ 

 $|\boldsymbol a|=\sqrt {m^2+n^2}$

#### 两向量的夹角

 $\cos \theta=\cfrac{\bm a\cdot\bm b}{|\bm a||\bm b|}$ 

 $\cos \theta=\cfrac{\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b}{|\boldsymbol a||\boldsymbol b|}$

### 扩展

#### 向量积

我们定义向量 $\bm a,\bm b$ 的向量积为一个向量，记为 $\bm a\times \bm b$ ，其模与方向定义如下：

我们定义向量 $\boldsymbol a,\boldsymbol b$ 的向量积为一个向量，记为 $\boldsymbol a\times \boldsymbol b$ ，其模与方向定义如下：

1.   $|\bm a\times \bm b|=|\bm a||\bm b|\sin \langle \bm a,\bm b\rangle$ ；

2.   $\bm a\times \bm b$ 与 $\bm a,\bm b$ 都垂直，且 $\bm a,\bm b,\bm a\times \bm b$ 符合右手法则。

1.   $|\boldsymbol a\times \boldsymbol b|=|\boldsymbol a||\boldsymbol b|\sin \langle \boldsymbol a,\boldsymbol b\rangle$ ；

2.   $\boldsymbol a\times \boldsymbol b$ 与 $\boldsymbol a,\boldsymbol b$ 都垂直，且 $\boldsymbol a,\boldsymbol b,\boldsymbol a\times \boldsymbol b$ 符合右手法则。

向量积也叫外积。

由于向量积涉及到空间几何与线性代数知识，所以并未在高中课本中出现。然而注意到向量积的模，联想到三角形面积计算公式 $S=\frac{1}{2}ab\sin C$ ，我们可以发现向量积的几何意义是： ** $|\bm a\times \bm b|$ 是以 $\bm a,\bm b$ 为邻边的平行四边形的面积** 。

由于向量积涉及到空间几何与线性代数知识，所以并未在高中课本中出现。然而注意到向量积的模，联想到三角形面积计算公式 $S=\frac{1}{2}ab\sin C$ ，我们可以发现向量积的几何意义是： ** $|\boldsymbol a\times \boldsymbol b|$ 是以 $\boldsymbol a,\boldsymbol b$ 为邻边的平行四边形的面积** 。

知道这个，多边形面积就很好算了。

我们有一个不完全的坐标表示：记 $\bm a=(m,n),\bm b=(p,q)$ ，那么两个向量的向量积的竖坐标为 $mq-np$ ，我们根据右手法则和竖坐标符号可以推断出 $\bm b$ 相对于 $\bm a$ 的方向，若在逆时针方向竖坐标为正值，反之为负值，简记为 **顺负逆正** 。

我们有一个不完全的坐标表示：记 $\boldsymbol a=(m,n),\boldsymbol b=(p,q)$ ，那么两个向量的向量积的竖坐标为 $mq-np$ ，我们根据右手法则和竖坐标符号可以推断出 $\boldsymbol b$ 相对于 $\boldsymbol a$ 的方向，若在逆时针方向竖坐标为正值，反之为负值，简记为 **顺负逆正** 。

#### 向量旋转

设 $\bm a=(x,y)$ ，倾角为 $\theta$ ，长度为 $l=\sqrt{x^2+y^2}$ 。则 $x=l\cos \theta,y=l\sin\theta$ 。令其逆时针旋转 $\alpha$ 度角，得到向量 $\bm b=(l\cos(\theta+\alpha),l\sin(\theta+\alpha))$ 。

设 $\boldsymbol a=(x,y)$ ，倾角为 $\theta$ ，长度为 $l=\sqrt{x^2+y^2}$ 。则 $x=l\cos \theta,y=l\sin\theta$ 。令其逆时针旋转 $\alpha$ 度角，得到向量 $\boldsymbol b=(l\cos(\theta+\alpha),l\sin(\theta+\alpha))$ 。

![](./images/misc1.png)

由三角恒等变换得，

$$

\bm{b}=(l(\cos\theta\cos\alpha-\sin\theta\sin\alpha),l(\sin\theta\cos\alpha+\cos\theta\sin\alpha))

\boldsymbol{b}=(l(\cos\theta\cos\alpha-\sin\theta\sin\alpha),l(\sin\theta\cos\alpha+\cos\theta\sin\alpha))

$$

化简，

$$

\bm b=(l\cos\theta\cos\alpha-l\sin\theta\sin\alpha,l\sin\theta\cos\alpha+l\cos\theta\sin\alpha)

\boldsymbol b=(l\cos\theta\cos\alpha-l\sin\theta\sin\alpha,l\sin\theta\cos\alpha+l\cos\theta\sin\alpha)

$$

把上面的 $x,y$ 代回来得

$$

\bm b=(x\cos\alpha-y\sin\alpha,y\cos\alpha+x\sin\alpha)

\boldsymbol b=(x\cos\alpha-y\sin\alpha,y\cos\alpha+x\sin\alpha)

$$

即使不知道三角恒等变换，这个式子也很容易记下来。