6.2.3 向量的数乘运算

人教 A 版 · 本节 4 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解没有考过 ↓

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

加法、减法之后,第三个运算是数乘。它是”同一个向量连加”的简写, 但真正的价值在本节末尾的共线定理——那才是向量能用来做几何的起点。

一、从连加到数乘

已知非零向量 aa ,作出 a+a+aa + a + a 和 (−a)+(−a)+(−a)(-a) + (-a) + (-a) .它们的长度和方向分别是怎样的?

如图6.2-14,OC→=OA→+AB→+BC→=a+a+a\overrightarrow{OC} = \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} = a + a + a。类比数的乘法,我们把 a+a+aa + a + a 记作 3a3a,即 OC→=3a\overrightarrow{OC} = 3a。显然 3a3a 的方向与 aa 的方向相同,3a3a 的长度是 aa 的长度的3倍,即 ∣3a∣=3∣a∣|3a| = 3|a|。

类似地,由图6.2-14可知, PN→=PQ→+QM→+MN→=(−a)+(−a)+(−a)\overrightarrow{PN}=\overrightarrow{PQ}+\overrightarrow{QM}+\overrightarrow{MN}=(-a)+(-a)+(-a) ,我们把 (−a)+(−a)+(−a)(-a)+(-a)+(-a) 记作-3a,即 PN→=−3a\overrightarrow{PN}=-3a 。显然-3a的方向与a的方向相反,-3a的长度是a的长度的3倍,即 ∣−3a∣=3∣a∣|-3a|=3|a| 。

于是有定义:

一般地,我们规定实数 λ\lambda 与向量 a 的积是一个向量,这种运算叫做向量的数乘(scalar multiplication of vectors),记作 λa\lambda a ,它的长度与方向规定如下:

(1) ∣λa∣=∣λ∣∣a∣|\lambda a| = |\lambda ||a|;

(2) 当 λ>0\lambda > 0 时, λa\lambda a 的方向与 a 的方向相同;当 λ<0\lambda < 0 时, λa\lambda a 的方向与 a 的方向相反.

由(1)可知,当 λ=0\lambda=0 时, λa=0\lambda a=0 .

由(1)(2)可知, (−1)a=−a(-1)a=-a .

定义里的两条分别管什么:

  • (1) 管长度:∣λa∣=∣λ∣ ∣a∣|\lambda a|=|\lambda|\,|a|。注意右边是 λ\lambda 的绝对值, 长度永远非负。
  • (2) 管方向:λ>0\lambda>0 同向,λ<0\lambda<0 反向。

λ=0\lambda=0 与 a=0a=0 这两种情形要单独看:这时 λa=0\lambda a=0, 零向量的方向不确定,所以 (2) 对它不适用——方向只在 λ≠0\lambda\neq 0 且 a≠0a\neq 0 时才谈。

你对零向量、相反向量有什么新的认识?

这个”?”要认真回答,它把前两节的两个规定统一了:

  • 零向量:0⋅a=00\cdot a=0,λ⋅0=0\lambda\cdot 0=0。 也就是说,零向量就是”00 倍的任意向量”,不必再当成一个孤立的特例。
  • 相反向量:(−1)a=−a(-1)a=-a。 也就是说,相反向量就是”−1-1 倍”,−a-a 这个记号从此有了运算上的解释, 减法 a−b=a+(−1)ba-b=a+(-1)b 也统一进了线性运算。

如果把非零向量 aa 的长度伸长到原来的3.5倍,方向不变得到向量 b\pmb{b},向量 b\pmb{b} 该如何表示?向量 a,ba, b 之间的关系怎样?

答:b=3.5ab=3.5a;aa 与 bb 共线(方向相同,∣b∣=3.5∣a∣|b|=3.5|a|)。 这个思考是共线定理的预演:bb 能写成实数乘 aa,当且仅当两者共线。

二、运算律

根据实数与向量的积的定义,可以验证下面的运算律是成立的.设 λ,μ\lambda,\mu 为实数,那么

(1) λ(μa)=(λμ)a\lambda (\mu \pmb {a}) = (\lambda \mu)\pmb {a};

(2) (λ+μ)a=λa+μa(\lambda + \mu)\boldsymbol{a} = \lambda \boldsymbol{a} + \mu \boldsymbol{a};

(3) λ(a+b)=λa+λb\lambda (\pmb {a} + \pmb {b}) = \lambda \pmb {a} + \lambda \pmb{b}.

你能证明这些运算律吗?

三条的名字与验证要点:

名称长度这一半方向这一半
(1)结合律∣λ∣∣μ∣∣a∣=∣λμ∣∣a∣\lvert\lambda\rvert\lvert\mu\rvert\lvert a\rvert=\lvert\lambda\mu\rvert\lvert a\rvert按 λ\lambda、μ\mu 的正负分四种情形核
(2)第一分配律(对实数)∣λ+μ∣∣a∣\lvert\lambda+\mu\rvert\lvert a\rvert 与 λa+μa\lambda a+\mu a 的长度λ\lambda、μ\mu 同号时直接相加;异号时是共线相减
(3)第二分配律(对向量)相似三角形(相似比 ∣λ∣\lvert\lambda\rvert)λ>0\lambda>0、λ<0\lambda<0 分两种

(2) 最容易证漏:λ\lambda、μ\mu 异号时,λa\lambda a 与 μa\mu a 反向, 它们的和要按共线反向的加法算,长度是两者之差——必须分情形,不能一句”显然”带过。

(3) 的几何内容是位似:把 △\triangle 的两边同时放大 λ\lambda 倍,第三边也放大 λ\lambda 倍。

特别地,我们有

(−λ)a=−(λa)=λ(−a),λ(a−b)=λa−λb.\begin{array}{c} {(- \lambda) a = - (\lambda a) = \lambda (- a),} \\ {\lambda (a - b) = \lambda a - \lambda b.} \end{array}

向量的加、减、数乘运算统称为向量的线性运算. 向量线性运算的结果仍是向量. 对于任意向量 a,ba, b,以及任意实数 λ,μ1,μ2\lambda, \mu_1, \mu_2,恒有

λ(μ1a±μ2b)=λμ1a±λμ2b.\lambda (\mu_ {1} \boldsymbol {a} \pm \mu_ {2} \boldsymbol {b}) = \lambda \mu_ {1} \boldsymbol {a} \pm \lambda \mu_ {2} \boldsymbol {b}.

“向量线性运算的结果仍是向量”这句话不是废话—— 它保证了你可以像处理多项式一样处理向量式子:合并同类项、去括号、移项, 规则与实数完全一致。唯一的区别是不能做”向量除以向量”。

三、例 5:像多项式一样算

例 5 计算:

(1) (−3)×4a(-3) \times 4a; (2) 3(a+b)−2(a−b)−a3(a + b) - 2(a - b) - a;

(3) (2a+3b−c)−(3a−2b+c)(2a+3b-c)-(3a-2b+c) .

解:(1)原式 =(−3×4)a=−12a= (-3 \times 4)a = -12a;

(2) 原式 =3a+3b−2a+2b−a=5b=3a+3b-2a+2b-a=5b ;

(3) 原式 =2a+3b−c−3a+2b−c= 2a + 3b - c - 3a + 2b - c =−a+5b−2c.= -a + 5b - 2c.

三小题各练一条规则:(1) 用结合律;(2) 用分配律去括号再按 aa、bb 合并; (3) 括号前是负号,每一项都要变号(−c-c 变成 −c-c、+2b+2b 变成……逐项核)。

自检办法:把 aa、bb、cc 当成三个未知数,按普通代数算一遍, 系数必须完全一致。(2) 的答案是 5b5b,aa 的系数 3−2−1=03-2-1=0, 恰好抵消——这类”某个向量消失”的结果最常被写错,务必逐项核系数。

四、例 6:平行四边形对角线的交点

例 6 如图 6.2-15,☐ABCD 的两条对角线相交于点 M,且 AB→=a\overrightarrow{AB}=a , AD→=b\overrightarrow{AD}=b ,用 a,b 表示 MA→\overrightarrow{MA} , MB→\overrightarrow{MB} , MC→\overrightarrow{MC} 和 MD→\overrightarrow{MD} .

解:在□ABCD中,

AC→=AB→+AD→=a+b,\overrightarrow {A C} = \overrightarrow {A B} + \overrightarrow {A D} = a + b,

DB→=AB→−AD→=a−b.\overrightarrow {D B} = \overrightarrow {A B} - \overrightarrow {A D} = a - b.

由平行四边形的两条对角线互相平分,得

MA→=−12AC→=−12(a+b)=−12a−12b,\overrightarrow {M A} = - \frac {1}{2} \overrightarrow {A C} = - \frac {1}{2} (\boldsymbol {a} + \boldsymbol {b}) = - \frac {1}{2} \boldsymbol {a} - \frac {1}{2} \boldsymbol {b},

MB→=12DB→=12(a−b)=12a−12b,\overrightarrow {M B} = \frac {1}{2} \overrightarrow {D B} = \frac {1}{2} (\boldsymbol {a} - \boldsymbol {b}) = \frac {1}{2} \boldsymbol {a} - \frac {1}{2} \boldsymbol {b},

MC→=12AC→=12a+12b,\overrightarrow {M C} = \frac {1}{2} \overrightarrow {A C} = \frac {1}{2} \boldsymbol {a} + \frac {1}{2} \boldsymbol {b},

MD→=−12DB→=−12a+12b.\overrightarrow {M D} = - \frac {1}{2} \overrightarrow {D B} = - \frac {1}{2} \boldsymbol {a} + \frac {1}{2} \boldsymbol {b}.

这道例题的关键一步是”互相平分”怎么翻译成向量式:

  • MM 是 ACAC 的中点 ⇒\Rightarrow AM→=12AC→\overrightarrow{AM}=\tfrac12\overrightarrow{AC}, 所以 MA→=−12AC→\overrightarrow{MA}=-\tfrac12\overrightarrow{AC}(方向相反,多一个负号);
  • MM 是 DBDB 的中点 ⇒\Rightarrow MB→=12DB→\overrightarrow{MB}=\tfrac12\overrightarrow{DB}, 而 MD→=−12DB→\overrightarrow{MD}=-\tfrac12\overrightarrow{DB}。

四个答案两两互为相反向量:MA→=−MC→\overrightarrow{MA}=-\overrightarrow{MC}、 MB→=−MD→\overrightarrow{MB}=-\overrightarrow{MD}。这正是”MM 是两条对角线的中点”的直接体现, 是核对答案的现成自检。

五、共线定理

引入向量数乘运算后,你能发现实数与向量的积与原向量之间的位置关系吗?

可以发现,实数与向量的积与原向量共线.

事实上,对于向量 aa (a≠0a \neq 0),bb,如果有一个实数 λ\lambda,使 b=λab = \lambda a,那么由向量数乘的定义可知 aa 与 bb 共线.

反过来,已知向量 aa 与 bb 共线,且向量 bb 的长度是向量 aa 的长度的 μ\mu 倍,即 ∣b∣=μ∣a∣|b| = \mu |a|,那么当 aa 与 bb 同方向时,有 b=μab = \mu a;当 aa 与 bb 反方向时,有 b=−μab = -\mu a。

综上,我们有如下定理:

向量 aa (a≠0a \neq 0)与 bb 共线的充要条件是:存在唯一一个实数 λ\lambda,使 b=λab = \lambda a.

这条定理是本章的第一个”定理”,要逐字抠:

  • a≠0a\neq 0 这个条件不能丢。 若 a=0a=0 而 b≠0b\neq 0,则 00 与 bb 共线 (规定零向量与任意向量共线),但找不到 λ\lambda 使 b=λ0b=\lambda 0。 定理写的是"a≠0a\neq 0",所以那个非零的向量必须放在 aa 的位置。
  • “唯一”两个字也不能丢。 λ\lambda 由 bb 和 aa 唯一确定: 若 λ1a=λ2a\lambda_1a=\lambda_2a 且 a≠0a\neq 0,则 (λ1−λ2)a=0(\lambda_1-\lambda_2)a=0, 由 ∣(λ1−λ2)a∣=∣λ1−λ2∣∣a∣=0|(\lambda_1-\lambda_2)a|=|\lambda_1-\lambda_2||a|=0 及 ∣a∣≠0|a|\neq 0 得 λ1=λ2\lambda_1=\lambda_2。
  • 充要条件两个方向的证法不同: "⇐\Leftarrow"由数乘定义直接得(λa\lambda a 与 aa 共线); "⇒\Rightarrow"要按同向、反向分两种,令 λ=±μ\lambda=\pm\mu。

根据这一定理,设非零向量 a 位于直线 l 上,那么对于直线 l 上的任意一个向量 b,都存在唯一的一个实数 λ\lambda ,使 b=λab = \lambda a 。也就是说,位于同一直线上的向量可以由位于这条直线上的一个非零向量表示。

这句话是坐标法的萌芽:一条直线上的所有向量, 只要挑定一个非零向量就能全部表示出来——一个基向量定住一条直线。 下一节 §6.3 把它推广到平面:两个不共线向量定住一个平面。

六、例 7:证三点共线

例 7 如图 6.2-16,已知任意两个非零向量 a,b,试作 OA→=a+b,OB→=a+2b,OC→=a+3b\overrightarrow{OA}=a+b,\overrightarrow{OB}=a+2b,\overrightarrow{OC}=a+3b 。猜想 A,B,C 三点之间的位置关系,并证明你的猜想。

分析:判断三点之间的位置关系,主要是看这三点是否共线,为此只要看其中一点是否在另两点所确定的直线上。在本题中,应用向量知识判断 AA , BB , CC 三点是否共线,可以通过判断向量 AC→\overrightarrow{AC} AB→\overrightarrow{AB} 是否共线,即是否存在 λ\lambda ,使 AC→=λAB→\overrightarrow{AC} = \lambda \overrightarrow{AB} 成立。

解:分别作向量 OA→\overrightarrow{OA},OB→\overrightarrow{OB},OC→\overrightarrow{OC},过点 AA,CC 作直线 ACAC(图6.2-17)。观察发现,不论向量 aa,bb 怎样变化,点 BB 始终在直线 ACAC 上,猜想 AA,BB,CC 三点共线。

事实上,因为

AB→=OB→−OA→=a+2b−(a+b)=b,AC→=OC→−OA→=a+3b−(a+b)=2b,\begin{array}{l} \overrightarrow {A B} = \overrightarrow {O B} - \overrightarrow {O A} = a + 2 b - (a + b) = b, \\ \overrightarrow {A C} = \overrightarrow {O C} - \overrightarrow {O A} = a + 3 b - (a + b) = 2 b, \end{array}

所以 AC→=2AB→.\overrightarrow{AC}=2\overrightarrow{AB}.

因此,A,B,C三点共线.

证三点共线的标准套路,三步:

  1. 挑一个公共点(这里是 AA),把要用的两个向量都从它出发:AB→\overrightarrow{AB}、AC→\overrightarrow{AC};
  2. 用起点相同的两个向量相减把它们算出来:AB→=OB→−OA→\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OA};
  3. 找 λ\lambda 使 AC→=λAB→\overrightarrow{AC}=\lambda\overrightarrow{AB},由共线定理得两向量共线, 再加上”它们有公共点 AA“,才能断定三点共线。

第 3 步末尾那句”有公共点”是必须的:两个向量共线只说明它们平行, 平行的两条线段可以不在同一条直线上。共线 ++ 共点 == 三点共线。

七、例 8:由共线求参数

例8 已知 a,ba, b 是两个不共线的向量,向量 b−tab - ta,12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 共线,求实数 tt 的值.

解:由 aa , bb 不共线,易知向量 12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 为非零向量.由向量 b−tab - ta , 12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 共线,可知存在实数 λ\lambda ,使得

b−ta=λ(12a−32b),\boldsymbol {b} - t \boldsymbol {a} = \lambda \left(\frac {1}{2} \boldsymbol {a} - \frac {3}{2} \boldsymbol {b}\right),

即

(t+12λ)a=(32λ+1)b.(t + \frac {1}{2} \lambda) \boldsymbol {a} = (\frac {3}{2} \lambda + 1) \boldsymbol {b}.

由 a, b 不共线,必有 t+12λ=32λ+1=0t + \frac{1}{2}\lambda = \frac{3}{2}\lambda + 1 = 0 . 否则,不妨设 t+12λ≠0t + \frac{1}{2}\lambda \neq 0 ,则 a=32λ+1t+12λba = \frac{\frac{3}{2}\lambda + 1}{t + \frac{1}{2}\lambda}b . 由两个向量共线的充要条件知,a, b 共线,与已知矛盾.

由 {t+12λ=0,32λ+1=0,\left\{\begin{aligned}t+\frac{1}{2}\lambda=0,\\ \frac{3}{2}\lambda+1=0,\end{aligned}\right. 解得 t=13.t=\frac{1}{3}.

因此,当向量 b−tab - ta , 12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 共线时, t=13t = \frac{1}{3}

这道例题真正要教的是那段反证法,很多人会跳过它:

由 (t+12λ)a=(32λ+1)b(t+\tfrac12\lambda)a=(\tfrac32\lambda+1)b 不能直接说两边系数为零—— 必须先论证”若某个系数非零,就能把 aa 解成 bb 的倍数,与 aa、bb 不共线矛盾”。 「aa、bb 不共线时 xa=ybxa=yb 只能 x=y=0x=y=0」这条结论,要到 §6.3 才由平面向量基本定理正式给出, 在本节必须每次现证。

另外注意开头那句”易知 12a−32b\tfrac12a-\tfrac32b 为非零向量”也不能省: 共线定理要求作为"aa"的那个向量非零,才能写出 b−ta=λ(⋯ )b-ta=\lambda(\cdots)。

核一遍答案:32λ+1=0⇒λ=−23\tfrac32\lambda+1=0\Rightarrow\lambda=-\tfrac23; 代入 t+12λ=0t+\tfrac12\lambda=0 得 t=−12×(−23)=13t=-\tfrac12\times(-\tfrac23)=\tfrac13 ✓。

八、常见错法

  • ∣λa∣=λ∣a∣|\lambda a|=\lambda|a|。 少了绝对值。λ<0\lambda<0 时右边是负数,而长度非负。
  • 对零向量谈方向。 λ=0\lambda=0 或 a=0a=0 时 λa=0\lambda a=0,方向不确定, “同向/反向”的说法在这里无效。
  • 用共线定理时忘记 a≠0a\neq 0。 尤其是”由 b=λab=\lambda a 推 aa、bb 共线”反过来用的时候。
  • 证三点共线时只证了向量共线。 还要说明两个向量有公共点。
  • 由 xa=ybxa=yb 直接断言 x=y=0x=y=0。 必须先有”aa、bb 不共线”, 并且要把反证的理由写出来(本节还没有平面向量基本定理可引)。
  • 合并同类项时漏系数。 例 5(2) 里 aa 的系数是 3−2−1=03-2-1=0, 这类”整项消失”的情形最容易看漏。
  • 把 MA→\overrightarrow{MA} 写成 12AC→\tfrac12\overrightarrow{AC}。 MM 是中点给出的是 AM→=12AC→\overrightarrow{AM}=\tfrac12\overrightarrow{AC}; 换成 MA→\overrightarrow{MA} 要变号。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节页面(page-0020—page-0023,印刷第 13—16 页)上收着三组题:

  • §6.2.2 减法那一节的「练习」第 2、3 题——它们排在第 13 页,按页归属收在这里 (第 1 题的题干印在第 12 页,解答在 §6.2.2 的习题详解里,本页只有它的四个小图);
  • §6.2.3 前半段的「练习」3 道(第 15 页);
  • §6.2.3 后半段共线定理之后的「练习」3 道(第 16 页)。

共 8 道。

减法练习(第 13 页)第 2 题

  1. 填空: AB→−AD→=\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AD}= ____ ; BA→−BC→=\overrightarrow{BA}-\overrightarrow{BC}= ____ ; BC→−BA→=\overrightarrow{BC}-\overrightarrow{BA}= ____ ; OD→−OA→=\overrightarrow{OD}-\overrightarrow{OA}= ____ ; OA→−OB→=\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OB}= ____ .

五个空全靠同一条法则,就是 §6.2.2 的几何意义写成字母形式:

OA→−OB→=BA→\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{BA}

读法:两个向量的起点字母相同时,差就是”从减向量的终点字母,指向被减向量的终点字母”。 起点那个字母在结果里消失了。

逐空填

式子公共起点减向量终点被减向量终点答案
AB→−AD→\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AD}AADDBBDB→\overrightarrow{DB}
BA→−BC→\overrightarrow{BA}-\overrightarrow{BC}BBCCAACA→\overrightarrow{CA}
BC→−BA→\overrightarrow{BC}-\overrightarrow{BA}BBAACCAC→\overrightarrow{AC}
OD→−OA→\overrightarrow{OD}-\overrightarrow{OA}OOAADDAD→\overrightarrow{AD}
OA→−OB→\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OB}OOBBAABA→\overrightarrow{BA}

第 2、3 空是一对:BA→−BC→=CA→\overrightarrow{BA}-\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{CA} 与 BC→−BA→=AC→\overrightarrow{BC}-\overrightarrow{BA}=\overrightarrow{AC} 互为相反向量, 交换被减数与减数,结果就换个箭头方向。课本把它们排在一起,就是让你看清这一点。

若一时记不住法则,可以退回定义验一遍:

AB→−AD→=AB→+DA→=DA→+AB→=DB→\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{DA}=\overrightarrow{DA}+\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DB}

(用了 −AD→=DA→-\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{DA} 和加法的交换律、三角形法则)✓

常见错法:把 AB→−AD→\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AD} 填成 BD→\overrightarrow{BD}。 箭头指反了——差向量从减向量的终点出发,这里减的是 AD→\overrightarrow{AD}, 所以起点是 DD。

减法练习(第 13 页)第 3 题

  1. 作图验证: −(a+b)=−a−b.-(a+b)=-a-b.

这是一道作图题,但要验的是一条恒等式。 下面给作法,再给它成立的道理。

作法

  1. 任取一点 OO,作 OA→=a\overrightarrow{OA}=a、AB→=b\overrightarrow{AB}=b(首尾相接), 则 OB→=a+b\overrightarrow{OB}=a+b。

  2. 左边:−(a+b)-(a+b) 是 OB→\overrightarrow{OB} 的相反向量,即 BO→\overrightarrow{BO}。 在图上就是把 OB→\overrightarrow{OB} 的箭头掉个头。

  3. 右边:仍从 BB 出发,作 BA→=−b\overrightarrow{BA}=-b (BA→\overrightarrow{BA} 与 AB→=b\overrightarrow{AB}=b 等长反向), 再作 AO→=−a\overrightarrow{AO}=-a,则由三角形法则

    −a−b=(−b)+(−a)=BA→+AO→=BO→-a-b=(-b)+(-a)=\overrightarrow{BA}+\overrightarrow{AO}=\overrightarrow{BO}

  4. 两边都是 BO→\overrightarrow{BO},重合,恒等式得证。

一句话概括这张图:△OAB\triangle OAB 顺着走一圈是 a+ba+b,倒着走一圈就是 −a−b-a-b, 两条路的起点终点恰好互换。

换个角度:用数乘看

学了本节的数乘之后,还有一个更省事的解释:

−(a+b)=(−1)(a+b)=(−1)a+(−1)b=−a−b-(a+b)=(-1)(a+b)=(-1)a+(-1)b=-a-b

中间一步用的是数乘对向量加法的分配律(本节运算律 (3),取 λ=−1\lambda=-1)。 这说明这条恒等式不是新性质,它是分配律的一个特例。

一处要说准

别把 −a−b-a-b 读成”先求 a−ba-b 再取反”。 −a−b-a-b 的意思是 (−a)+(−b)(-a)+(-b), 而 −(a−b)=−a+b-(a-b)=-a+b,两者不同。减号的作用范围要看清。

练习(第 15 页)第 1 题

  1. 任画一向量 e,分别求作向量 a=4e,b=-4e.

作法

任画一个非零向量 OE→=e\overrightarrow{OE}=e。

  • a=4ea=4e:在 ee 所在的射线上,从 OO 出发量取 44 个 ∣e∣|e| 的长度得到点 AA, 则 OA→=a\overrightarrow{OA}=a。方向与 ee 相同,长度是 ∣e∣|e| 的 44 倍。
  • b=−4eb=-4e:在 ee 的反方向射线上,从 OO 出发量取 44 个 ∣e∣|e| 的长度得到点 BB, 则 OB→=b\overrightarrow{OB}=b。方向与 ee 相反,长度同样是 ∣e∣|e| 的 44 倍。

作图上最省事的办法是把 ee 首尾相接地连画四次: 4e=e+e+e+e4e=e+e+e+e,这正是本节开头”数乘就是连加的简写”那句话的直接兑现。

三处要点

  • ∣a∣=∣b∣=4∣e∣|a|=|b|=4|e|:两个长度相同,∣−4∣=4|-4|=4 而不是 −4-4。
  • aa 与 bb 互为相反向量:b=−ab=-a,a+b=0a+b=0。
  • aa、bb、ee 三者共线:都在过 OO 且与 ee 平行的那条直线上。 这是本节末尾共线定理的直观例子。

练习(第 15 页)第 2 题

  1. 点 C 在线段 AB 上,且 ACCB=52\frac{AC}{CB} = \frac{5}{2} ,则 AC→=\overrightarrow{AC} = ____ AB→\overrightarrow{AB} , BC→=\overrightarrow{BC} = ____ AB→\overrightarrow{AB} .

先把比例化成”占全长的几分之几”

CC 在线段 ABAB 上(不是延长线上),所以 AC+CB=ABAC+CB=AB。由 AC:CB=5:2AC:CB=5:2,

AC:CB:AB=5:2:7AC:CB:AB=5:2:7

于是

ACAB=57,CBAB=27\frac{AC}{AB}=\frac57,\qquad \frac{CB}{AB}=\frac27

第一个空

AC→\overrightarrow{AC} 与 AB→\overrightarrow{AB} 同向(CC 在 AA 到 BB 之间, 从 AA 看过去方向一致),长度之比是 57\tfrac57,故

AC→=57AB→\overrightarrow{AC}=\frac57\overrightarrow{AB}

第一个空填 57\dfrac57。

第二个空

BC→\overrightarrow{BC} 的方向是从 BB 指向 CC,而 AB→\overrightarrow{AB} 是从 AA 指向 BB, 两者反向;长度之比是 BCAB=27\dfrac{BC}{AB}=\dfrac27。故

BC→=−27AB→\overrightarrow{BC}=-\frac27\overrightarrow{AB}

第二个空填 −27-\dfrac27。

这道题唯一的坑就是那个负号

第二个空最常见的错答是 27\dfrac27,漏掉负号。 判断方法很机械:看两个向量的箭头是不是朝同一边。

  • AC→\overrightarrow{AC}:A→CA\to C,向右(设 BB 在 AA 右侧);AB→\overrightarrow{AB}:A→BA\to B,也向右 ⇒\Rightarrow 系数为正。
  • BC→\overrightarrow{BC}:B→CB\to C,向左;AB→\overrightarrow{AB} 向右 ⇒\Rightarrow 系数为负。

验算:AC→+CB→=AB→\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB}=\overrightarrow{AB}, 而 CB→=−BC→=27AB→\overrightarrow{CB}=-\overrightarrow{BC}=\tfrac27\overrightarrow{AB}, 于是 57AB→+27AB→=AB→\tfrac57\overrightarrow{AB}+\tfrac27\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{AB} ✓。

练习(第 15 页)第 3 题

  1. 把下列各小题中的向量 b 表示为实数与向量 a 的积:

(1) a=3e,b=6ea = 3e, b = 6e; (2) a=8e,b=−14ea = 8e, b = -14e;

(3) a=−23e,b=13e;a=-\frac{2}{3}e,\quad b=\frac{1}{3}e;

(4) a=−34e,b=−23e.a = -\frac{3}{4} e, b = -\frac{2}{3} e.

通法:设 b=λab=\lambda a。两边都用 ee 表示,比较 ee 的系数即可 (ee 是非零向量,系数唯一确定)。若 a=αea=\alpha e、b=βeb=\beta e,则

λ=βα\lambda=\frac{\beta}{\alpha}

(1) a=3ea=3e,b=6eb=6e

λ=63=2,b=2a\lambda=\frac{6}{3}=2,\qquad b=2a

(2) a=8ea=8e,b=−14eb=-14e

λ=−148=−74,b=−74a\lambda=\frac{-14}{8}=-\frac74,\qquad b=-\frac74 a

约分不要漏:−148-\tfrac{14}{8} 要化成 −74-\tfrac74。

(3) a=−23ea=-\dfrac23e,b=13eb=\dfrac13e

λ= 13 −23=13×(−32)=−12,b=−12a\lambda=\frac{\ \tfrac13\ }{-\tfrac23}=\frac13\times\left(-\frac32\right)=-\frac12,\qquad b=-\frac12 a

(4) a=−34ea=-\dfrac34e,b=−23eb=-\dfrac23e

λ=−23−34=23×43=89,b=89a\lambda=\frac{-\tfrac23}{-\tfrac34}=\frac23\times\frac43=\frac89,\qquad b=\frac89 a

负负得正,这一小题的答案是正数。

四小题的用意

小题λ\lambdaaa、bb 的方向∣b∣\lvert b\rvert 与 ∣a∣\lvert a\rvert
(1)22同向变长
(2)−74-\tfrac74反向变长
(3)−12-\tfrac12反向变短
(4)89\tfrac89同向变短

四种组合各占一个:λ\lambda 的符号管方向、绝对值管长短。 这张表就是数乘定义 (1)(2) 两条的全部内容。

每题都要回代验一遍,例如 (4):89×(−34)e=−2436e=−23e=b\tfrac89\times\left(-\tfrac34\right)e=-\tfrac{24}{36}e=-\tfrac23e=b ✓。

练习(第 16 页)第 1 题

  1. 判断下列各小题中的向量 aa 与 bb 是否共线:

(1) a=−2e,b=2ea = -2e, b = 2e; (2) a=e1−e2,b=−2e1+2e2a = e_1 - e_2, b = -2e_1 + 2e_2.

判据:由本节的共线定理,a≠0a\neq 0 时,aa 与 bb 共线   ⟺  \iff 存在实数 λ\lambda 使 b=λab=\lambda a。 所以做法是:试着把 bb 写成 aa 的倍数。

(1) a=−2ea=-2e,b=2eb=2e

b=2e=(−1)×(−2e)=−ab=2e=(-1)\times(-2e)=-a

取 λ=−1\lambda=-1 即可,aa 与 bb 共线(方向相反、长度相等,互为相反向量)。

若 e=0e=0:则 a=b=0a=b=0,两个零向量仍然共线(零向量与任意向量共线)。 两种情形结论一致,都共线。

(2) a=e1−e2a=e_1-e_2,b=−2e1+2e2b=-2e_1+2e_2

把 bb 提公因数:

b=−2e1+2e2=−2(e1−e2)=−2ab=-2e_1+2e_2=-2(e_1-e_2)=-2a

取 λ=−2\lambda=-2,aa 与 bb 共线。

这一小题的技巧就是”提公因数”:看两个式子里 e1e_1、e2e_2 的系数是否成同一比例。 这里 −21=2−1=−2\dfrac{-2}{1}=\dfrac{2}{-1}=-2,比例相同,故共线。

反例对照:若 b=−2e1+3e2b=-2e_1+3e_2,两个比例 −21=−2\dfrac{-2}{1}=-2 与 3−1=−3\dfrac{3}{-1}=-3 不等, bb 就写不成 λa\lambda a,当 e1e_1、e2e_2 不共线时 aa 与 bb 不共线。

练习(第 16 页)第 2 题

  1. 化简: (1) 5(3a−2b)+4(2b−3a)5(3a-2b)+4(2b-3a) ; (2) 13(a−2b)−14(3a−2b)−12(a−b)\frac{1}{3}(a-2b)-\frac{1}{4}(3a-2b)-\frac{1}{2}(a-b) ;

(3) (x+y)a−(x−y)a(x + y)\boldsymbol{a} - (x - y)\boldsymbol{a}.

做法与整式化简一字不差:去括号、按 aa、bb 合并同类项。 依据是本节的三条运算律,结果仍是向量。

(1)

5(3a−2b)+4(2b−3a)=15a−10b+8b−12a5(3a-2b)+4(2b-3a)=15a-10b+8b-12a

=(15−12)a+(−10+8)b=3a−2b=(15-12)a+(-10+8)b=3a-2b

答:3a−2b3a-2b。

(2)

先逐项去括号:

13(a−2b)=13a−23b\frac13(a-2b)=\frac13a-\frac23b

−14(3a−2b)=−34a+12b-\frac14(3a-2b)=-\frac34a+\frac12b

−12(a−b)=−12a+12b-\frac12(a-b)=-\frac12a+\frac12b

再按 aa、bb 合并。aa 的系数:

13−34−12=4−9−612=−1112\frac13-\frac34-\frac12=\frac{4-9-6}{12}=-\frac{11}{12}

bb 的系数:

−23+12+12=−23+1=13-\frac23+\frac12+\frac12=-\frac23+1=\frac13

答:−1112a+13b-\dfrac{11}{12}a+\dfrac13 b。

这一小题只考通分不出错。 建议像上面这样先把三项各自去括号列出来,再分别算两个系数, 不要一口气心算。

(3)

(x+y)a−(x−y)a=[(x+y)−(x−y)]a=2ya(x+y)a-(x-y)a=\bigl[(x+y)-(x-y)\bigr]a=2ya

答:2ya2ya。

这里用的是分配律 (2) 的逆用:λa+μa=(λ+μ)a\lambda a+\mu a=(\lambda+\mu)a, 把两个系数合并成一个。

注意第二个括号前是减号:去括号时 x−yx-y 整体变号成 −x+y-x+y,与 x+yx+y 相加得 2y2y。 漏了变号就会写成 2xa2xa。

练习(第 16 页)第 3 题

  1. 已知 e1,e2e_1, e_2 是两个不共线的向量,a=e1−2e2,b=2e1+ke2a = e_1 - 2e_2, b = 2e_1 + ke_2. 若 aa 与 bb 是共线向量,求实数 kk 的值.

先确认 a≠0a\neq 0

共线定理要求被当作"aa"的那个向量非零,这一步不能省。

若 a=e1−2e2=0a=e_1-2e_2=0,则 e1=2e2e_1=2e_2,由共线定理 e1e_1 与 e2e_2 共线, 与题设”e1e_1、e2e_2 不共线”矛盾。故 a≠0a\neq 0。

由共线写出方程

由 aa 与 bb 共线且 a≠0a\neq 0,存在实数 λ\lambda 使 b=λab=\lambda a,即

2e1+ke2=λ(e1−2e2)=λe1−2λe22e_1+ke_2=\lambda(e_1-2e_2)=\lambda e_1-2\lambda e_2

移项整理:

(2−λ)e1+(k+2λ)e2=0(2-\lambda)e_1+(k+2\lambda)e_2=0

用”不共线”逼出系数为零

这一步必须论证,不能直接说”系数为零”。

若 2−λ≠02-\lambda\neq 0,则

e1=−k+2λ2−λe2e_1=-\frac{k+2\lambda}{2-\lambda}e_2

由共线定理知 e1e_1 与 e2e_2 共线,与题设矛盾。故 2−λ=02-\lambda=0。 代回原式得 (k+2λ)e2=0(k+2\lambda)e_2=0,而 e2≠0e_2\neq 0(否则 e1e_1、e2e_2 共线), 故 k+2λ=0k+2\lambda=0。

解出

{2−λ=0k+2λ=0⟹λ=2,k=−2λ=−4\begin{cases}2-\lambda=0\\ k+2\lambda=0\end{cases}\Longrightarrow \lambda=2,\quad k=-2\lambda=-4

k=−4\boxed{k=-4}

回代验算

k=−4k=-4 时 b=2e1−4e2=2(e1−2e2)=2ab=2e_1-4e_2=2(e_1-2e_2)=2a ✓,确实共线。

更快的口算法(但要说明依据)

aa、bb 用同一组不共线向量 e1e_1、e2e_2 表示时, 共线   ⟺  \iff 两组系数成比例,即

21=k−2 ⟹ k=−4\frac{2}{1}=\frac{k}{-2}\ \Longrightarrow\ k=-4

用这一步之前必须先说明 e1e_1、e2e_2 不共线, 否则系数的表示不唯一,“成比例”这句话就没有意义。 考场上写这一行可以,但前面那句前提不能省。

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(1)

(2)

(3)

(第1题)(4)

  1. 填空: AB→−AD→=\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AD}= ____ ; BA→−BC→=\overrightarrow{BA}-\overrightarrow{BC}= ____ ; BC→−BA→=\overrightarrow{BC}-\overrightarrow{BA}= ____ ; OD→−OA→=\overrightarrow{OD}-\overrightarrow{OA}= ____ ; OA→−OB→=\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OB}= ____ .

  2. 作图验证: −(a+b)=−a−b.-(a+b)=-a-b.

6.2.3 向量的数乘运算

探究

已知非零向量 aa ,作出 a+a+aa + a + a 和 (−a)+(−a)+(−a)(-a) + (-a) + (-a) .它们的长度和方向分别是怎样的?

如图6.2-14,OC→=OA→+AB→+BC→=a+a+a\overrightarrow{OC} = \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} = a + a + a。类比数的乘法,我们把 a+a+aa + a + a 记作 3a3a,即 OC→=3a\overrightarrow{OC} = 3a。显然 3a3a 的方向与 aa 的方向相同,3a3a 的长度是 aa 的长度的3倍,即 ∣3a∣=3∣a∣|3a| = 3|a|。

类似地,由图6.2-14可知, PN→=PQ→+QM→+MN→=(−a)+(−a)+(−a)\overrightarrow{PN}=\overrightarrow{PQ}+\overrightarrow{QM}+\overrightarrow{MN}=(-a)+(-a)+(-a) ,我们把 (−a)+(−a)+(−a)(-a)+(-a)+(-a) 记作-3a,即 PN→=−3a\overrightarrow{PN}=-3a 。显然-3a的方向与a的方向相反,-3a的长度是a的长度的3倍,即 ∣−3a∣=3∣a∣|-3a|=3|a| 。

图 6.2-14

一般地,我们规定实数 λ\lambda 与向量 a 的积是一个向量,这种运算叫做向量的数乘(scalar multiplication of vectors),记作 λa\lambda a ,它的长度与方向规定如下:

(1) ∣λa∣=∣λ∣∣a∣|\lambda a| = |\lambda ||a|;

(2) 当 λ>0\lambda > 0 时, λa\lambda a 的方向与 a 的方向相同;当 λ<0\lambda < 0 时, λa\lambda a 的方向与 a 的方向相反.

?

由(1)可知,当 λ=0\lambda=0 时, λa=0\lambda a=0 .

你对零向量、相反向量有什么新的认识?

由(1)(2)可知, (−1)a=−a(-1)a=-a .

思考

如果把非零向量 aa 的长度伸长到原来的3.5倍,方向不变得到向量 b\pmb{b},向量 b\pmb{b} 该如何表示?向量 a,ba, b 之间的关系怎样?

根据实数与向量的积的定义,可以验证下面的运算律是成立的.设 λ,μ\lambda,\mu 为实数,那么

(1) λ(μa)=(λμ)a\lambda (\mu \pmb {a}) = (\lambda \mu)\pmb {a};

(2) (λ+μ)a=λa+μa(\lambda + \mu)\boldsymbol{a} = \lambda \boldsymbol{a} + \mu \boldsymbol{a};

(3) λ(a+b)=λa+λb\lambda (\pmb {a} + \pmb {b}) = \lambda \pmb {a} + \lambda \pmb{b}.

你能证明这些运算律吗?

特别地,我们有

(−λ)a=−(λa)=λ(−a),λ(a−b)=λa−λb.\begin{array}{c} {(- \lambda) a = - (\lambda a) = \lambda (- a),} \\ {\lambda (a - b) = \lambda a - \lambda b.} \end{array}

向量的加、减、数乘运算统称为向量的线性运算. 向量线性运算的结果仍是向量. 对于任意向量 a,ba, b,以及任意实数 λ,μ1,μ2\lambda, \mu_1, \mu_2,恒有

λ(μ1a±μ2b)=λμ1a±λμ2b.\lambda (\mu_ {1} \boldsymbol {a} \pm \mu_ {2} \boldsymbol {b}) = \lambda \mu_ {1} \boldsymbol {a} \pm \lambda \mu_ {2} \boldsymbol {b}.

例 5 计算:

(1) (−3)×4a(-3) \times 4a; (2) 3(a+b)−2(a−b)−a3(a + b) - 2(a - b) - a;

(3) (2a+3b−c)−(3a−2b+c)(2a+3b-c)-(3a-2b+c) .

解:(1)原式 =(−3×4)a=−12a= (-3 \times 4)a = -12a;

(2) 原式 =3a+3b−2a+2b−a=5b=3a+3b-2a+2b-a=5b ;

(3) 原式 =2a+3b−c−3a+2b−c= 2a + 3b - c - 3a + 2b - c =−a+5b−2c.= -a + 5b - 2c.

例 6 如图 6.2-15,☐ABCD 的两条对角线相交于点 M,且 AB→=a\overrightarrow{AB}=a , AD→=b\overrightarrow{AD}=b ,用 a,b 表示 MA→\overrightarrow{MA} , MB→\overrightarrow{MB} , MC→\overrightarrow{MC} 和 MD→\overrightarrow{MD} .

解:在□ABCD中,

AC→=AB→+AD→=a+b,\overrightarrow {A C} = \overrightarrow {A B} + \overrightarrow {A D} = a + b,

DB→=AB→−AD→=a−b.\overrightarrow {D B} = \overrightarrow {A B} - \overrightarrow {A D} = a - b.

图 6.2-15

由平行四边形的两条对角线互相平分,得

MA→=−12AC→=−12(a+b)=−12a−12b,\overrightarrow {M A} = - \frac {1}{2} \overrightarrow {A C} = - \frac {1}{2} (\boldsymbol {a} + \boldsymbol {b}) = - \frac {1}{2} \boldsymbol {a} - \frac {1}{2} \boldsymbol {b},

MB→=12DB→=12(a−b)=12a−12b,\overrightarrow {M B} = \frac {1}{2} \overrightarrow {D B} = \frac {1}{2} (\boldsymbol {a} - \boldsymbol {b}) = \frac {1}{2} \boldsymbol {a} - \frac {1}{2} \boldsymbol {b},

MC→=12AC→=12a+12b,\overrightarrow {M C} = \frac {1}{2} \overrightarrow {A C} = \frac {1}{2} \boldsymbol {a} + \frac {1}{2} \boldsymbol {b},

MD→=−12DB→=−12a+12b.\overrightarrow {M D} = - \frac {1}{2} \overrightarrow {D B} = - \frac {1}{2} \boldsymbol {a} + \frac {1}{2} \boldsymbol {b}.

练习

  1. 任画一向量 e,分别求作向量 a=4e,b=-4e.

  2. 点 C 在线段 AB 上,且 ACCB=52\frac{AC}{CB} = \frac{5}{2} ,则 AC→=\overrightarrow{AC} = ____ AB→\overrightarrow{AB} , BC→=\overrightarrow{BC} = ____ AB→\overrightarrow{AB} .

  3. 把下列各小题中的向量 b 表示为实数与向量 a 的积:

(1) a=3e,b=6ea = 3e, b = 6e; (2) a=8e,b=−14ea = 8e, b = -14e;

(3) a=−23e,b=13e;a=-\frac{2}{3}e,\quad b=\frac{1}{3}e;

(4) a=−34e,b=−23e.a = -\frac{3}{4} e, b = -\frac{2}{3} e.

探究

引入向量数乘运算后,你能发现实数与向量的积与原向量之间的位置关系吗?

可以发现,实数与向量的积与原向量共线.

事实上,对于向量 aa (a≠0a \neq 0),bb,如果有一个实数 λ\lambda,使 b=λab = \lambda a,那么由向量数乘的定义可知 aa 与 bb 共线.

反过来,已知向量 aa 与 bb 共线,且向量 bb 的长度是向量 aa 的长度的 μ\mu 倍,即 ∣b∣=μ∣a∣|b| = \mu |a|,那么当 aa 与 bb 同方向时,有 b=μab = \mu a;当 aa 与 bb 反方向时,有 b=−μab = -\mu a。

综上,我们有如下定理:

向量 aa (a≠0a \neq 0)与 bb 共线的充要条件是:存在唯一一个实数 λ\lambda,使 b=λab = \lambda a.

根据这一定理,设非零向量 a 位于直线 l 上,那么对于直线 l 上的任意一个向量 b,都存在唯一的一个实数 λ\lambda ,使 b=λab = \lambda a 。也就是说,位于同一直线上的向量可以由位于这条直线上的一个非零向量表示。

例 7 如图 6.2-16,已知任意两个非零向量 a,b,试作 OA→=a+b,OB→=a+2b,OC→=a+3b\overrightarrow{OA}=a+b,\overrightarrow{OB}=a+2b,\overrightarrow{OC}=a+3b 。猜想 A,B,C 三点之间的位置关系,并证明你的猜想。

图 6.2-16

分析:判断三点之间的位置关系,主要是看这三点是否共线,为此只要看其中一点是否在另两点所确定的直线上。在本题中,应用向量知识判断 AA , BB , CC 三点是否共线,可以通过判断向量 AC→\overrightarrow{AC} AB→\overrightarrow{AB} 是否共线,即是否存在 λ\lambda ,使 AC→=λAB→\overrightarrow{AC} = \lambda \overrightarrow{AB} 成立。

解:分别作向量 OA→\overrightarrow{OA},OB→\overrightarrow{OB},OC→\overrightarrow{OC},过点 AA,CC 作直线 ACAC(图6.2-17)。观察发现,不论向量 aa,bb 怎样变化,点 BB 始终在直线 ACAC 上,猜想 AA,BB,CC 三点共线。

事实上,因为

AB→=OB→−OA→=a+2b−(a+b)=b,AC→=OC→−OA→=a+3b−(a+b)=2b,\begin{array}{l} \overrightarrow {A B} = \overrightarrow {O B} - \overrightarrow {O A} = a + 2 b - (a + b) = b, \\ \overrightarrow {A C} = \overrightarrow {O C} - \overrightarrow {O A} = a + 3 b - (a + b) = 2 b, \end{array}

所以 AC→=2AB→.\overrightarrow{AC}=2\overrightarrow{AB}.

因此,A,B,C三点共线.

图 6.2-17

例8 已知 a,ba, b 是两个不共线的向量,向量 b−tab - ta,12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 共线,求实数 tt 的值.

解:由 aa , bb 不共线,易知向量 12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 为非零向量.由向量 b−tab - ta , 12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 共线,可知存在实数 λ\lambda ,使得

b−ta=λ(12a−32b),\boldsymbol {b} - t \boldsymbol {a} = \lambda \left(\frac {1}{2} \boldsymbol {a} - \frac {3}{2} \boldsymbol {b}\right),

即

(t+12λ)a=(32λ+1)b.(t + \frac {1}{2} \lambda) \boldsymbol {a} = (\frac {3}{2} \lambda + 1) \boldsymbol {b}.

由 a, b 不共线,必有 t+12λ=32λ+1=0t + \frac{1}{2}\lambda = \frac{3}{2}\lambda + 1 = 0 . 否则,不妨设 t+12λ≠0t + \frac{1}{2}\lambda \neq 0 ,则 a=32λ+1t+12λba = \frac{\frac{3}{2}\lambda + 1}{t + \frac{1}{2}\lambda}b . 由两个向量共线的充要条件知,a, b 共线,与已知矛盾.

由 {t+12λ=0,32λ+1=0,\left\{\begin{aligned}t+\frac{1}{2}\lambda=0,\\ \frac{3}{2}\lambda+1=0,\end{aligned}\right. 解得 t=13.t=\frac{1}{3}.

因此,当向量 b−tab - ta , 12a−32b\frac{1}{2} a - \frac{3}{2} b 共线时, t=13t = \frac{1}{3}

练习

  1. 判断下列各小题中的向量 aa 与 bb 是否共线:

(1) a=−2e,b=2ea = -2e, b = 2e; (2) a=e1−e2,b=−2e1+2e2a = e_1 - e_2, b = -2e_1 + 2e_2.

  1. 化简: (1) 5(3a−2b)+4(2b−3a)5(3a-2b)+4(2b-3a) ; (2) 13(a−2b)−14(3a−2b)−12(a−b)\frac{1}{3}(a-2b)-\frac{1}{4}(3a-2b)-\frac{1}{2}(a-b) ;

(3) (x+y)a−(x−y)a(x + y)\boldsymbol{a} - (x - y)\boldsymbol{a}.

  1. 已知 e1,e2e_1, e_2 是两个不共线的向量,a=e1−2e2,b=2e1+ke2a = e_1 - 2e_2, b = 2e_1 + ke_2. 若 aa 与 bb 是共线向量,求实数 kk 的值.