6.3.3 平面向量加、减运算的坐标表示

人教 A 版 · 本节 2 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 24 题 ↓

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本节的知识树

1 概念 · 1 公式 · 最深 2 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 24 道

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。

上一节把向量装进了坐标:选定基底 {i,j}\{i, j\} 之后,每个向量都写成唯一的一对实数 (x,y)(x, y)。 这一节只回答一个问题——装进坐标之后,加减法怎么算。

答案短到一行:按分量各加各的。真正值钱的不是这行公式,是它带来的那条通路: 从这一节起,“几何里的箭头”可以整段整段地换成”代数里的数对”,画图不再是必需品。 高考立体几何大题里的建系解法、向量选择题里的”坐标展开”,源头都在这里。

一、两条公式,一次推导

设 a=(x1,y1)a = (x_1, y_1),b=(x2,y2)b = (x_2, y_2),意思是 a=x1i+y1ja = x_1 i + y_1 j、b=x2i+y2jb = x_2 i + y_2 j。把两式相加, 按加法交换律与结合律重排、再按数乘对向量加法的分配律合并同类项:

a+b=(x1i+y1j)+(x2i+y2j)=(x1+x2)i+(y1+y2)j,a + b = (x_1 i + y_1 j) + (x_2 i + y_2 j) = (x_1 + x_2) i + (y_1 + y_2) j,

于是

a+b=(x1+x2, y1+y2),a−b=(x1−x2, y1−y2).a + b = (x_1 + x_2,\ y_1 + y_2), \qquad a - b = (x_1 - x_2,\ y_1 - y_2).

两个向量的和(差)的坐标,等于这两个向量相应坐标的和(差)。

减法那一条不必另推:a−b=a+(−b)a - b = a + (-b),而 −b=(−x2,−y2)-b = (-x_2, -y_2),代进加法那条即得。 之所以能这么干净,全靠上一节那句”每个向量在给定基底下的坐标唯一”—— 两边都写成 αi+βj\alpha i + \beta j 的形状,就可以逐项对系数。

二、真正要记的是这一条:终点减起点

课本把它写在”探究”里,但它才是这一节在后面各章被用得最多的一句。

设 A(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x2,y2)B(x_2, y_2)。把 AB→\overrightarrow{AB} 拆成两条从原点出发的向量之差:

AB→=OB→−OA→=(x2,y2)−(x1,y1)=(x2−x1, y2−y1).\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OA} = (x_2, y_2) - (x_1, y_1) = (x_2 - x_1,\ y_2 - y_1).

这一步用的是上一节的三角形法则 OA→+AB→=OB→\overrightarrow{OA} + \overrightarrow{AB} = \overrightarrow{OB} 移项, 再加上一个常被跳过的事实:点 AA 的坐标就是向量 OA→\overrightarrow{OA} 的坐标——因为 OA→=x1i+y1j\overrightarrow{OA} = x_1 i + y_1 j,而这正是”点 AA 的横坐标是 x1x_1、纵坐标是 y1y_1“的另一种说法。 点与向量在坐标系里被同一对数描述,只是一个说位置、一个说位移。

于是有了那句口诀:

AB→=(终点坐标)−(起点坐标).\overrightarrow{AB} = (\text{终点坐标}) - (\text{起点坐标}).

顺序不能反。 BA→=−AB→\overrightarrow{BA} = -\overrightarrow{AB},两个坐标同时变号。写反了不会算错半个式子, 而是把整个方向调了个头——这一节的错,几乎全出在这里。

三、三种常见问法,各配一个动作

1. 给两个向量的坐标,求和差。 直接套公式,逐分量加减。没有陷阱,只有抄错。

2. 给两个点的坐标,求向量。 用”终点减起点”。要留心题目问的是 AB→\overrightarrow{AB} 还是 BA→\overrightarrow{BA}。

3. 判断两条线段平行 / 相等。 这是本节最像高考的一类。做法是把线段都换成向量,再比较坐标:

  • 两个向量相等(坐标完全相同)⇒\Rightarrow 它们同向且等长。若这两个向量表示的是两条不共线的线段 ABAB 与 DCDC,那么 ABCDABCD 是平行四边形,于是 AB∥DCAB \parallel DC 且 ∣AB∣=∣DC∣|AB| = |DC|。
  • 反过来,要在平行四边形里定一个未知顶点,就写出”一组对边对应的两个向量相等”, 拆成横、纵两个方程解。课本例 5 的解法 1 正是这一步。

第三类里有一处必须验、也最常被跳过的前提:由 AB→=DC→\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{DC} 只能推出 ABAB 与 DCDC 平行或在同一条直线上。要断言”ABCDABCD 是平行四边形”或"AB∥DCAB \parallel DC", 还得说明 AA、BB、CC、DD 四点不共线。课本例 5 里图已给出、不必赘述, 但在只给四个点坐标的题目里(本节练习第 3 题就是),这一步要自己补。

四、易错清单

按失分频率排:

  1. “终点减起点”写反。 求 AB→\overrightarrow{AB} 却算成 A−BA - B。核的办法:算完随手验一下方向—— 若 BB 在 AA 右上方,AB→\overrightarrow{AB} 的两个分量就该都是正的。
  2. 点的坐标与向量的坐标混着用。 只有从原点出发的向量,坐标才与终点的坐标相同; AB→\overrightarrow{AB} 的坐标与 AA、BB 任何一点的坐标都不同。
  3. 由向量相等直接断言平行四边形,不验四点不共线。 共线时四个点在一条直线上, 图形退化,“平行”无从谈起。
  4. 减法减错次序。 a−ba - b 与 b−ab - a 差一个负号;先写清哪个是被减向量再动笔。
  5. 括号里逗号两侧的正负号抄丢。 (2,1)−(−3,4)=(5,−3)(2,1) - (-3,4) = (5,-3) 中的 2−(−3)=52-(-3)=5 是本节最高频的算错点。

五、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方”考过本节的真题”是构建期派生的完整清单,这里只给一个读的顺序:

  • 先看 2023 年第 3 题与 2024 年第 3 题:两道都是”给坐标、求参数”的向量小题, 练的正是把几何条件一步换成坐标方程这个动作。它们对应的运算在下一节(数量积的坐标表示), 但”先把向量写成坐标”这一步是这一节教的。
  • 再看 2025 年第 6 题(帆船视风求真风):题面给的是两支箭头,解法之一就是把它们接起来、 按坐标相加——本节两条公式最朴素的一次应用。
  • 最后是三道立体几何大题 2022 年第 19 题、2023 年第 18 题、2025 年第 17 题: 它们都从”建系”开始,随后每一步都在做坐标的加减。这一节是那类大题的第一个台阶: 建完系写各点坐标,紧接着就是一串”终点减起点”。这个动作不熟,后面的法向量、夹角全都无从算起。

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。

本节课本习题共 3 道,都在第 37 页的「练习」里,逐题全做。本节页面上没有「习题 6.3」—— 那一组题排在 §6.3.5 的末尾,归它那一节的详解。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 37 页)第 1 题

  1. 在下列各小题中,已知向量 a,ba, b 的坐标,分别求 a+b,a−ba + b, a - b 的坐标:(1) a=(−2,4),b=(5,2)a = (-2, 4), b = (5, 2); (2) a=(4,3),b=(−3,8)a = (4, 3), b = (-3, 8); (3) a=(2,3),b=(−2,−3)a = (2, 3), b = (-2, -3); (4) a=(3,0),b=(0,4)a = (3, 0), b = (0, 4).

四小问都直接套坐标形式的加减法:和(差)的坐标 = 相应坐标的和(差)。 设 a=(x1,y1)a = (x_1, y_1),b=(x2,y2)b = (x_2, y_2),则

a+b=(x1+x2, y1+y2),a−b=(x1−x2, y1−y2).a + b = (x_1 + x_2,\ y_1 + y_2), \qquad a - b = (x_1 - x_2,\ y_1 - y_2).

(1)a=(−2,4)a = (-2, 4),b=(5,2)b = (5, 2):

a+b=(−2+5, 4+2)=(3,6),a−b=(−2−5, 4−2)=(−7,2).a + b = (-2 + 5,\ 4 + 2) = (3, 6), \qquad a - b = (-2 - 5,\ 4 - 2) = (-7, 2).

(2)a=(4,3)a = (4, 3),b=(−3,8)b = (-3, 8):

a+b=(4+(−3), 3+8)=(1,11),a−b=(4−(−3), 3−8)=(7,−5).a + b = (4 + (-3),\ 3 + 8) = (1, 11), \qquad a - b = (4 - (-3),\ 3 - 8) = (7, -5).

这一小问里 4−(−3)=74 - (-3) = 7 是最容易写成 11 的一处,减号与负号叠在一起时把括号写全。

(3)a=(2,3)a = (2, 3),b=(−2,−3)b = (-2, -3):

a+b=(2+(−2), 3+(−3))=(0,0),a−b=(2−(−2), 3−(−3))=(4,6).a + b = (2 + (-2),\ 3 + (-3)) = (0, 0), \qquad a - b = (2 - (-2),\ 3 - (-3)) = (4, 6).

注意 a+b=(0,0)a + b = (0,0) 就是零向量 0\mathbf{0}:本小问里 b=−ab = -a,两个互为相反向量的和当然是零向量。 而 a−b=a−(−a)=2a=(4,6)a - b = a - (-a) = 2a = (4, 6),与逐分量算出的结果一致,可作自检。

(4)a=(3,0)a = (3, 0),b=(0,4)b = (0, 4):

a+b=(3+0, 0+4)=(3,4),a−b=(3−0, 0−4)=(3,−4).a + b = (3 + 0,\ 0 + 4) = (3, 4), \qquad a - b = (3 - 0,\ 0 - 4) = (3, -4).

自检:把每一小问的 a+ba+b 与 a−ba-b 相加,结果应恒等于 2a2a。如(2)中 (1,11)+(7,−5)=(8,6)=2×(4,3)(1, 11) + (7, -5) = (8, 6) = 2 \times (4, 3),相符。这个恒等式来自 (a+b)+(a−b)=2a(a+b) + (a-b) = 2a,四小问都能这么核一遍,比重算一遍快。

这道题的关键动作:加减法在坐标下只在同一个位置上发生——横坐标只和横坐标打交道, 纵坐标只和纵坐标打交道,两条互不串门。

练习(第 37 页)第 2 题

  1. 在下列各小题中,已知 A, B 两点的坐标,分别求 AB→\overrightarrow{AB} , BA→\overrightarrow{BA} 的坐标: (1) A(3,5)A(3, 5) , B(6,9)B(6, 9) ; (2) A(−3,4)A(-3, 4) , B(6,3)B(6, 3) ; (3) A(0,3)A(0, 3) , B(0,5)B(0, 5) ; (4) A(3,0)A(3, 0) , B(8,0)B(8, 0) .

用「一个向量的坐标等于表示它的有向线段的终点坐标减去起点坐标」: 设 A(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x2,y2)B(x_2, y_2),则

AB→=(x2−x1, y2−y1),BA→=(x1−x2, y1−y2).\overrightarrow{AB} = (x_2 - x_1,\ y_2 - y_1), \qquad \overrightarrow{BA} = (x_1 - x_2,\ y_1 - y_2).

两者互为相反向量,所以算出一个之后,另一个把两个分量同时变号即可。

(1)A(3,5)A(3, 5),B(6,9)B(6, 9):

AB→=(6−3, 9−5)=(3,4),BA→=(3−6, 5−9)=(−3,−4).\overrightarrow{AB} = (6 - 3,\ 9 - 5) = (3, 4), \qquad \overrightarrow{BA} = (3 - 6,\ 5 - 9) = (-3, -4).

(2)A(−3,4)A(-3, 4),B(6,3)B(6, 3):

AB→=(6−(−3), 3−4)=(9,−1),BA→=(−3−6, 4−3)=(−9,1).\overrightarrow{AB} = (6 - (-3),\ 3 - 4) = (9, -1), \qquad \overrightarrow{BA} = (-3 - 6,\ 4 - 3) = (-9, 1).

(3)A(0,3)A(0, 3),B(0,5)B(0, 5):

AB→=(0−0, 5−3)=(0,2),BA→=(0−0, 3−5)=(0,−2).\overrightarrow{AB} = (0 - 0,\ 5 - 3) = (0, 2), \qquad \overrightarrow{BA} = (0 - 0,\ 3 - 5) = (0, -2).

两点都在 yy 轴上,所以横坐标之差为 00:AB→=(0,2)\overrightarrow{AB} = (0, 2) 与 yy 轴平行、方向向上, BA→\overrightarrow{BA} 与它反向。

(4)A(3,0)A(3, 0),B(8,0)B(8, 0):

AB→=(8−3, 0−0)=(5,0),BA→=(3−8, 0−0)=(−5,0).\overrightarrow{AB} = (8 - 3,\ 0 - 0) = (5, 0), \qquad \overrightarrow{BA} = (3 - 8,\ 0 - 0) = (-5, 0).

两点都在 xx 轴上,向量水平。

自检:每一小问都满足 AB→+BA→=(0,0)\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BA} = (0,0),如(2)中 (9,−1)+(−9,1)=(0,0)(9, -1) + (-9, 1) = (0, 0),相符——这正是 AB→+BA→=0\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BA} = \mathbf{0} 在坐标下的样子。

这道题的关键动作:先认清谁是终点。AB→\overrightarrow{AB} 的终点是 BB,所以是 BB 的坐标减 AA 的坐标; 写反了得到的是方向相反的那个向量。

练习(第 37 页)第 3 题

  1. 若点 A(0,1)A(0, 1), B(1,0)B(1, 0), C(1,2)C(1, 2), D(2,1)D(2, 1), 则 ABAB 与 CDCD 有什么位置关系?证明你的猜想.

猜想:线段 ABAB 与线段 CDCD 平行,且长度相等。

证明。先把两条线段各换成一个向量,用终点坐标减起点坐标:

AB→=(1−0, 0−1)=(1,−1),CD→=(2−1, 1−2)=(1,−1).\overrightarrow{AB} = (1 - 0,\ 0 - 1) = (1, -1), \qquad \overrightarrow{CD} = (2 - 1,\ 1 - 2) = (1, -1).

两个向量的坐标完全相同,所以

AB→=CD→,\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CD},

即 AB→\overrightarrow{AB} 与 CD→\overrightarrow{CD} 是相等向量——方向相同、长度相等。由此立刻得到

∣AB→∣=∣CD→∣=12+(−1)2=2,|\overrightarrow{AB}| = |\overrightarrow{CD}| = \sqrt{1^2 + (-1)^2} = \sqrt{2},

即 ∣AB∣=∣CD∣=2|AB| = |CD| = \sqrt{2}。

还差一步前提要验:相等向量只保证两条线段所在直线平行或重合。要断言”平行”, 必须排除 AA、BB、CC、DD 四点共线(重合的情形)。直线 ABAB 过 A(0,1)A(0,1) 与 B(1,0)B(1,0), 斜率为 0−11−0=−1\dfrac{0 - 1}{1 - 0} = -1,方程是

y=−x+1,即x+y=1.y = -x + 1, \quad\text{即}\quad x + y = 1.

把 C(1,2)C(1, 2) 代入:1+2=3≠11 + 2 = 3 \neq 1,所以 CC 不在直线 ABAB 上,两条线段不共线。

因此线段 ABAB 与线段 CDCD 平行且相等:AB∥CDAB \parallel CD,且 ∣AB∣=∣CD∣=2|AB| = |CD| = \sqrt{2}。

顺带:由 AB→=CD→\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CD} 且四点不共线,四边形 ACDBACDB 是平行四边形 (A→CA \to C 与 B→DB \to D 是它的另一组对边)。核一下: AC→=(1−0, 2−1)=(1,1)\overrightarrow{AC} = (1 - 0,\ 2 - 1) = (1, 1),BD→=(2−1, 1−0)=(1,1)\overrightarrow{BD} = (2 - 1,\ 1 - 0) = (1, 1), 两者相等,与结论相符。注意顶点次序是 AA、CC、DD、BB,不是 AA、BB、CC、DD—— 后者按边连起来会自交,不是平行四边形。

这道题的关键动作:把”位置关系”翻译成”两个向量的坐标是否相同”,再补一句四点不共线, 证明就完整了。少了后面那一句,“平行”是没有挣得的。

原书转写(OCR,供核对)

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机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

例 3 如图 6.3-10,分别用基底 {i,j}\{i, j\} 表示向量 a, b, c, d,并求出它们的坐标.

解:由图6.3-10可知, a=AA1→+AA2→=2i+3ja=\overrightarrow{AA_{1}}+\overrightarrow{AA_{2}}=2i+3j ,

所以 a=(2,3)\boldsymbol{a}=(2,3) .

同理,

b=−2i+3j=(−2,3),\boldsymbol {b} = - 2 \boldsymbol {i} + 3 \boldsymbol {j} = (- 2, 3),

c=−2i−3j=(−2,−3),c = - 2 i - 3 j = (- 2, - 3),

d=2i−3j=(2,−3).\boldsymbol {d} = 2 \boldsymbol {i} - 3 \boldsymbol {j} = (2, - 3).

图6.3-10

6.3.3 平面向量加、减运算的坐标表示

思考

已知 a=(x1,y1)a = (x_{1},y_{1}) , b=(x2,y2)b = (x_{2},y_{2}) ,你能得出 a+ba + b , a−ba - b 的坐标吗?

a+b=(x1i+y1j)+(x2i+y2j)=x1i+x2i+y1j+y2j=(x1+x2)i+(y1+y2)j,\begin{array}{r l} \boldsymbol {a} + \boldsymbol {b} & = (x _ {1} \boldsymbol {i} + y _ {1} \boldsymbol {j}) + (x _ {2} \boldsymbol {i} + y _ {2} \boldsymbol {j}) \\ & = x _ {1} \boldsymbol {i} + x _ {2} \boldsymbol {i} + y _ {1} \boldsymbol {j} + y _ {2} \boldsymbol {j} \\ & = (x _ {1} + x _ {2}) \boldsymbol {i} + (y _ {1} + y _ {2}) \boldsymbol {j}, \end{array}

即

a+b=(x1+x2,y1+y2).\boldsymbol {a} + \boldsymbol {b} = (x _ {1} + x _ {2}, y _ {1} + y _ {2}).

同理可得

a−b=(x1−x2,y1−y2).\boldsymbol {a} - \boldsymbol {b} = (x _ {1} - x _ {2}, y _ {1} - y _ {2}).

这就是说,两个向量和(差)的坐标分别等于这两个向量相应坐标的和(差).

例 4 已知 a=(2,1)a=(2,1) , b=(−3,4)b=(-3,4) ,求 a+ba+b ,a-b 的坐标.

解: a+b=(2,1)+(−3,4)=(−1,5)a+b=(2,1)+(-3,4)=(-1,5) ,

a−b=(2,1)−(−3,4)=(5,−3).a - b = (2, 1) - (- 3, 4) = (5, - 3).

探究

如图 6.3-11,已知 A(x1,y1)A(x_{1}, y_{1}) , B(x2,y2)B(x_{2}, y_{2}) ,你能得出 AB→\overrightarrow{AB} 的坐标吗?

图 6.3-11

如图6.3-12,作向量 OA→\overrightarrow{OA} , OB→\overrightarrow{OB} ,则

AB→=OB→−OA→=(x2,y2)−(x1,y1)=(x2−x1,y2−y1).\begin{array}{r l} \overrightarrow {A B} & = \overrightarrow {O B} - \overrightarrow {O A} \\ & = (x _ {2}, y _ {2}) - (x _ {1}, y _ {1}) \\ & = (x _ {2} - x _ {1}, y _ {2} - y _ {1}). \end{array}

因此,一个向量的坐标等于表示此向量的有向线段的终点的坐标减去起点的坐标.

图 6.3-12

例 5 如图 6.3-13,已知 □ABCD 的三个顶点 A,B,C 的坐标分别是 (−2,1)(-2, 1) , (−1,3)(-1, 3) , (3,4)(3, 4) ,求顶点 D 的坐标.

解法 1:如图 6.3-13,设顶点 D 的坐标为 (x,y)(x, y) .

因为 AB→=(−1−(−2),3−1)=(1,2)\overrightarrow{AB}=(-1-(-2),3-1)=(1,2) , DC→=(3−x,4−y)\overrightarrow{DC}=(3-x,4-y) ,

又 AB→=DC→\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC} ,

所以 (1,2)=(3−x,4−y)(1, 2)=(3-x, 4-y) .

即 {1=3−x,2=4−y,\left\{\begin{aligned}1&=3-x,\\ 2&=4-y,\end{aligned}\right. 解得 {x=2,y=2.\left\{\begin{aligned}x&=2,\\ y&=2.\end{aligned}\right.

所以顶点 D 的坐标为 (2,2)(2, 2) .

图6.3-13

BD→=BA→+BC→=(−2−(−1),1−3)+(3−(−1),4−3)=(3,−1),\begin{array}{r l} \overrightarrow {B D} & = \overrightarrow {B A} + \overrightarrow {B C} \\ & = (- 2 - (- 1), 1 - 3) + (3 - (- 1), 4 - 3) \\ & = (3, - 1), \end{array}

图6.3-14

而

OD→=OB→+BD→=(−1,3)+(3,−1)=(2,2).\begin{array}{r l} \overrightarrow {O D} & = \overrightarrow {O B} + \overrightarrow {B D} \\ & = (- 1, 3) + (3, - 1) \\ & = (2, 2). \end{array}

?

你能比较一下两种解法在思想方法上的异同点吗?

所以顶点 D 的坐标为 (2,2)(2, 2) .

练习

  1. 在下列各小题中,已知向量 a,ba, b 的坐标,分别求 a+b,a−ba + b, a - b 的坐标:(1) a=(−2,4),b=(5,2)a = (-2, 4), b = (5, 2); (2) a=(4,3),b=(−3,8)a = (4, 3), b = (-3, 8); (3) a=(2,3),b=(−2,−3)a = (2, 3), b = (-2, -3); (4) a=(3,0),b=(0,4)a = (3, 0), b = (0, 4).

  2. 在下列各小题中,已知 A, B 两点的坐标,分别求 AB→\overrightarrow{AB} , BA→\overrightarrow{BA} 的坐标: (1) A(3,5)A(3, 5) , B(6,9)B(6, 9) ; (2) A(−3,4)A(-3, 4) , B(6,3)B(6, 3) ; (3) A(0,3)A(0, 3) , B(0,5)B(0, 5) ; (4) A(3,0)A(3, 0) , B(8,0)B(8, 0) .

  3. 若点 A(0,1)A(0, 1), B(1,0)B(1, 0), C(1,2)C(1, 2), D(2,1)D(2, 1), 则 ABAB 与 CDCD 有什么位置关系?证明你的猜想.