浅议平面向量的运算

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  摘要:向量是沟通代数、几何、三角函数的一种工具,有着及其丰富的实际背景,它源于物理学概念与理论,又通过自身的演绎、发展,形成了自己一系列的科学体系。在初等数学中具有很重要的地位和作用。由于向量有别于数量,它既有大小又有方向,因此很多地方与数量不同,本文通过对平面向量的运算的探讨,揭示向量与数量的区别与联系。
  关键词:平面向量;运算法则;运算律
  一、如何认识平面向量
  1.理解概念:既有大小又有方向的量叫做向量。物理学中位移,速度,力等都是向量,在物理学中向量又叫做矢量。如果我们探讨的向量都位于同一个平面内,则把这些向量叫平面向量。从向量的定义中看出,向量不同于数量的地方就是它含有“方向”这个要素。两个向量不能比较大小,但它们的“模”可以比较大小(向量的大小叫做向量的模),两个向量相等必须是模相等且方向相同。
  2.认识运算:平面向量运算包括加法、减法、数乘运算、内积运算等。加法、减法是指两个或多个向量之间可以进行加法、减法运算,运算要按照平行四边形法则或三角形法则进行,其运算法则来源于物理学中共点力的合成定则。向量的加法、减法结果仍是一个向量,向量和实数不能进行加、减运算。向量的数乘运算是指向量可以与一个实数相乘,其结果仍然是一个向量。向量的内积是指两个向量之间的一种乘积,结果是一个数量,因此,向量的内积又叫数量积、“点积”。这种乘积也源自物理学,比如物理学中“功”的定义。向量的乘法还有两种:“外积或叉积或矢量积”与混合积。目前,在高中阶段只要求了解平面向量的加法、减法、数乘、内积这几种运算。
  3.突出向量与数量的区别:从概念中就应该知道,向量是在数的基础上加了方向这个要素,这样一来向量比较大小就没有任何意义了。数可以进行连加、连乘运算,向量也可以进行连加运算,但是没有连乘,向量没有任何意义,与虽然有意义,但是它们不相等,这与我们对实数乘法运算的认知是不是有很大差别?向量在几何上是用一条有向线段表示的,它更像一个几何概念,向量的加法遵循三角形法则或平行四边形法则,向量的摸等于2,向量的摸等于3,那么向量的摸等于5吗?当然不对。因此,学习向量时,必须注意它与数的区别。
  4.牢牢抓住向量坐标的运算工具:平面向量的基本定理,给了我们向量的另一种表示法,它再次地把数和形完美地统一了起来。有了向量的坐标,就大大方便了我们探讨向量的垂直与共线。同时为探究平面两点间距离公式及中点坐标公式提供了方法。
  二、平面向量的运算及运算律
  1.平面向量的加法:平面向量的加法有两种法则:三角形法则与平行四边形法则,这两种法则是等价的,它们的逻辑顺序是先有平行四边形法则,然后推出三角形法则。这是因为平行四边形法则是由物理学实验验证的结论,然后结合自由向量的概念衍生出了三角形法则。(如图)
  由平行四边形法则,容易得出向量加法的交换律:
  三角形法則的使用条件是:两个向量要首尾相接,即求向量时,的起点要接的终点,然后由的起点指向的终点的向量就是。 这样一来,对于共线向量也可以按照三角形法则求和的方法求共线向量的和了,这说明三角形法则可以看作是平行四边形法则的推广,它适用于任意两个向量的求和。
  用三角形法则,可以非常方便地对多个向量连续求和,只需要让这些向量保持首尾相接即可。
  2.平面向量的减法:“减去一个向量,等于加上这个向量的相反向量”。通过相反向量,把向量的减法于加法统一成了一种运算,为向量的线性运算提供了方便。
  3.平面向量的数乘运算:“实数与向量的乘积仍是一个向量,记作,叫做的数乘向量,这个向量的摸等于,方向:当时,与同向,当时,与反向,当时,就是零向量”。在规定了零向量与任何向量同向后,通过数乘向量,得出了“两个向量与共线的充分必要条件”:存在唯一确定的实数,使(或)成立。它是后面“平面向量基本定理”的基础。
  5.平面向量的内积:我们把,及三个数的乘积叫做向量与的内积(这里符号表示向量与的夹角,范围:,显然有),记作,即。向量的内积源自物理学中“功”的定义,具有现实的指导意义。
  内积的运算律:交换律;分配律;
  特别需要强调,乘法(内积)结合律不成立,即一般地,想想与各自的含义,就不难理解。同样的,消去律也不成立,即不能由,推出,因为可能不共线,即便它们共线,方向也可能相反。这与实数乘法的运算律有很大区别,学习中,如果不注意,往往由于知识的负迁移,容易把实数运算律搬到向量中来,产生不必要的错误。
  对于交换律,由内积的定义,结合实数的运算律是很容易证明的,而分配律的证明就不太容易,需要用到向量的射影定理。
  有了向量内积运算的分配律,我们在后面推导向量内积的坐标运算法则时就有了依据,使得向量和与向量和的内积也可以按照多项式乘法展开计算了。
  三、平面向量的坐标及向量的坐标运算
  1.平面向量基本定理:设与是平面内两个不共线向量,则对于平面内任意一个向量,必存在唯一有序实数对,使得成立。
  这个定理,根据前面定义的向量加法的平行四边形法则,很容易得到证明,这里把证明留给读者。
  2.平面向量的坐标:设、分别是与x轴、y轴同方向的两个单位向量,由平面向量基本定理知,平面内的任意一个向量,都存在唯一有序实数对,使得
  以上对平面向量运算的探讨,有助于学生对向量的认识和理解,当然,限于篇幅,有些地方过于简单,仅供参考。
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