6.3.2 平面向量的正交分解及坐标表示

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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。

平面向量基本定理说的是”任意向量都能拆成两个不共线向量的组合”, 但它没说该挑哪两个。本节挑定一种:互相垂直的一对。 挑定之后,向量就能写成一对数——坐标——从这里起,向量运算可以变成实数运算。

一、正交分解:在无穷多种分解里挑一种

给定平面内两个不共线的向量 e1e_1 , e2e_2 ,由平面向量基本定理可知,平面上的任意向量 aa ,均可分解为两个向量 λ1e1\lambda_1e_1 , λ2e2\lambda_2e_2 ,即 a=λ1e1+λ2e2a = \lambda_1e_1 + \lambda_2e_2 ,其中向量 λ1e1\lambda_1e_1 与 e1e_1 共线,向

量 λ2e2\lambda_{2}e_{2} 与 e2e_{2} 共线.

基本定理只说了存在且唯一,没说该选谁。同一个 aa,换一组基底 {e1,e2}\{e_1,e_2\} 就换一对系数 λ1,λ2\lambda_1,\lambda_2,分解方式要多少有多少。既然都行,就挑最好算的那种。

不共线的两个向量相互垂直是一种重要的情形. 把一个向量分解为两个互相垂直的向量, 叫做把向量作正交分解. 如图 6.3-7, 重力 GG 沿互相垂直的两个方向分解就是正交分解. 正交分解是向量分解中常见而实用的一种情形.

“正交”就是互相垂直。垂直好算,有两条具体理由:

  • 两个系数能各算各的。e1⊥e2e_1\perp e_2 时 e1⋅e2=0e_1\cdot e_2=0, 拿 a=λ1e1+λ2e2a=\lambda_1e_1+\lambda_2e_2 去点乘 e1e_1,第二项整项消失, λ1\lambda_1 就被单独解了出来。基底不垂直时,两个系数是纠缠在一起的。
  • 长度能直接用勾股定理。两个分量垂直时 ∣a∣2=∣λ1e1∣2+∣λ2e2∣2|a|^2=|\lambda_1e_1|^2+|\lambda_2e_2|^2, 不必再带 cos⁡θ\cos\theta 的交叉项。

物理原型:斜面上的重力

图6.3-7

重力 G 可以分解为这样两个分力:平行于斜面使木块沿斜面下滑的力 F1F_{1} ,垂直于斜面的压力 F2F_{2} .

这个例子不是装饰,它说明正交分解常常是被问题本身逼出来的: 木块会不会下滑,只取决于沿斜面的那个分力;斜面被压得多狠,只取决于垂直斜面的那个分力。 两个方向各管一件事,互不干扰——这就是”垂直”的好处在物理里的样子。 换一组不垂直的方向去分解,两个分力都会同时牵扯下滑和压紧两件事,反而算不清。

在平面上,如果选取互相垂直的向量作为基底时,将为我们研究问题带来方便.

二、取 {i,j}\{i,j\} 作基底,向量就有了坐标

我们知道,在平面直角坐标系中,每一个点都可用一对有序实数(即它的坐标)表示.那么,如何表示直角坐标平面内的一个向量呢?

这个”思考”问的就是本节的全部内容。点能用一对有序实数表示,靠的是坐标系; 向量要照办,就得先在坐标系里挑一组基底。挑哪一组?坐标系已经把答案摆好了—— xx 轴与 yy 轴本来就互相垂直。

图6.3-8

如图 6.3-8,在平面直角坐标系中,设与 x 轴、y 轴方向相同的两个单位向量分别为 i,j,取 {i,j}\{i, j\} 作为基底。对于平面内的任意一个向量 a,由平面向量基本定理可知,有且只有一对实数 x,y,使得

a=xi+yj.\boldsymbol {a} = x \boldsymbol {i} + y \boldsymbol {j}.

ii 和 jj 身上有两个约定,缺一不可:

  • 方向:分别与 xx 轴、yy 轴的正方向相同;
  • 长度:都等于 11,即它们是单位向量。

长度这一条最容易被漏掉,但正是它定下了坐标的刻度。若把 jj 换成 2j2j, 同一个向量的第二个坐标就得减半。基底一换,坐标就换,坐标从来不是向量自带的属性。

这样,平面内的任一向量 a 都可由 x,y 唯一确定,我们把有序数对 (x,y)(x, y) 叫做向量 a 的坐标,记作

其中,x 叫做 a 在 x 轴上的坐标,y 叫做 a 在 y 轴上的坐标,①叫做向量 a 的坐标表示.

“有且只有一对”这句话是坐标能成立的全部依据。 “有”保证每个向量都写得出坐标,“只有一对”保证这对数不会有歧义—— 同一个向量不可能既记作 (2,3)(2,3) 又记作 (1,5)(1,5)。两句都出自平面向量基本定理, 本节没有添加任何新前提,只是把定理换了个写法。

显然, i=(1,0)i=(1,0) , j=(0,1)j=(0,1) , 0=(0,0)\mathbf{0}=(0,0) .

这三条建议自己验一遍:i=1⋅i+0⋅ji=1\cdot i+0\cdot j,所以 ii 的坐标是 (1,0)(1,0); j=0⋅i+1⋅jj=0\cdot i+1\cdot j,坐标是 (0,1)(0,1);零向量 0⋅i+0⋅j0\cdot i+0\cdot j,坐标是 (0,0)(0,0)。 基底向量在自己这套坐标里总是长这样,这不是巧合,是定义的直接结果。

三、向量的坐标与点的坐标

图6.3-9

如图 6.3-9,在直角坐标平面中,以原点 O 为起点作 OA→=a\overrightarrow{OA}=a ,则点 A 的位置由向量 a 唯一确定.

设 OA→=xi+yj\overrightarrow{OA}=xi+yj ,则向量 OA→\overrightarrow{OA} 的坐标 (x,y)(x,y) 就是终点A的坐标;反过来,终点A的坐标 (x,y)(x,y) 也就是向量 OA→\overrightarrow{OA} 的坐标。因为 OA→=a\overrightarrow{OA}=a ,所以终点A的坐标 (x,y)(x,y) 就是向量a的坐标。这样就建立了向量的坐标与点的坐标之间的联系。

这一段建立的是本章后面天天要用的一个换算:

OA→=(x,y)  ⟺  A 的坐标是 (x,y)(O 为坐标原点)\overrightarrow{OA}=(x,y)\iff A\ \text{的坐标是}\ (x,y)\qquad(O\ \text{为坐标原点})

但括号里那个条件不能丢。向量是自由的,平移不改变它;点却是钉死在平面上的。 只有当起点恰好取在原点时,“向量的坐标”和”终点的坐标”才是同一对数。 那么起点不在原点的 AB→\overrightarrow{AB} 怎么求坐标?把它平移到原点去—— 这正是下一节 AB→=(x2−x1, y2−y1)\overrightarrow{AB}=(x_2-x_1,\ y_2-y_1) 的来路。

为什么这一小步值得单独占一节

到这里,向量的”形”已经被完整地翻译成了”数”,翻译表如下:

几何对象代数表示
平面上的点 AA有序数对 (x,y)(x,y)
起点在原点的向量 OA→\overrightarrow{OA}同一对 (x,y)(x,y)
任意向量 aa平移到原点后的那对 (x,y)(x,y)

翻译一旦建立,加法、数乘、数量积以及平行与垂直的判定,就都能落到实数的加减乘除上去做, 不必再一笔一笔画图。后面三节(§6.3.3—§6.3.5)全部是在兑现这张表。

四、常见错法

  • 以为正交分解是唯一的分解。它只是”两个基向量互相垂直”这一种情形; 基本定理允许的分解有无穷多组,正交分解胜在好算,不胜在唯一。
  • 只记 ii、jj 的方向,忘了它们是单位向量。没有长度约定,坐标就没有刻度可言。
  • 把起点不在原点的向量的坐标当成终点坐标。AB→\overrightarrow{AB} 的坐标不是 BB 的坐标, 除非 AA 恰好就是原点。
  • 把向量的坐标 (x,y)(x,y) 直接当成点。记号一样,含义不同:点不能相加,向量可以。 教材那句话说的是”建立了向量的坐标与点的坐标之间的联系”,是联系,不是等同。
  • 在斜坐标系里套用后面几节的坐标公式。那些公式全部以互相垂直的单位向量 {i,j}\{i,j\} 为基底推出,换了基底就不成立。

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。

本目录下的 page-0034(印刷第 27 页)上印着 §6.3.1 平面向量基本定理那一节的「练习」三道, §6.3.2 自己的正文从同一页下半页起排,练习则排到了下一小节的页面上。按页归属, 这三道题的解答收在这里。

三道题的共同套路只有一句:把所有要表示的向量都还原成”两个已知向量的首尾相接或作差”, 而这正是平面向量基本定理在具体图形里的用法。

练习(第 27 页)第 1 题

  1. 如图,AD,BE,CF 是△ABC 的三条中线, CA→=a\overrightarrow{CA}=a , CB→=b\overrightarrow{CB}=b 。用 a,b 表示 AB→\overrightarrow{AB} , AD→\overrightarrow{AD} , BE→\overrightarrow{BE} , CF→\overrightarrow{CF} 。

(第1题)

读图先把三个中点认准:ADAD、BEBE、CFCF 是中线,所以 DD 是 BCBC 的中点, EE 是 CACA 的中点,FF 是 ABAB 的中点。已知的两个向量都从 CC 出发, 所以每一问都先设法把待求向量拆成从 CC 出发的两段。

AB→\overrightarrow{AB}

起点相同的两个向量作差,差向量从减向量的终点指向被减向量的终点:

AB→=CB→−CA→=b−a\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{CB}-\overrightarrow{CA}=\boldsymbol b-\boldsymbol a

AD→\overrightarrow{AD}

DD 是 BCBC 的中点,所以 CD→=12CB→=12b\overrightarrow{CD}=\frac12\overrightarrow{CB}=\frac12\boldsymbol b,于是

AD→=AC→+CD→=−a+12b\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CD}=-\boldsymbol a+\frac12\boldsymbol b

BE→\overrightarrow{BE}

EE 是 CACA 的中点,所以 CE→=12CA→=12a\overrightarrow{CE}=\frac12\overrightarrow{CA}=\frac12\boldsymbol a,于是

BE→=BC→+CE→=12a−b\overrightarrow{BE}=\overrightarrow{BC}+\overrightarrow{CE}=\frac12\boldsymbol a-\boldsymbol b

CF→\overrightarrow{CF}

FF 是 ABAB 的中点,可以用中线的中点公式一步写出:

CF→=12(CA→+CB→)=12a+12b\overrightarrow{CF}=\frac12\left(\overrightarrow{CA}+\overrightarrow{CB}\right)=\frac12\boldsymbol a+\frac12\boldsymbol b

也可以沿 C→A→FC\to A\to F 走一遍验证:

CF→=CA→+12AB→=a+12(b−a)=12a+12b\overrightarrow{CF}=\overrightarrow{CA}+\frac12\overrightarrow{AB}=\boldsymbol a+\frac12(\boldsymbol b-\boldsymbol a)=\frac12\boldsymbol a+\frac12\boldsymbol b

答案与自检

向量用 a,b\boldsymbol a,\boldsymbol b 表示
AB→\overrightarrow{AB}b−a\boldsymbol b-\boldsymbol a
AD→\overrightarrow{AD}−a+12b-\boldsymbol a+\frac12\boldsymbol b
BE→\overrightarrow{BE}12a−b\frac12\boldsymbol a-\boldsymbol b
CF→\overrightarrow{CF}12a+12b\frac12\boldsymbol a+\frac12\boldsymbol b

四个结果放在一起有一条现成的自检:把三条中线向量加起来,

AD→+BE→+CF→=(−1+12+12)a+(12−1+12)b=0\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{BE}+\overrightarrow{CF}=\left(-1+\tfrac12+\tfrac12\right)\boldsymbol a+\left(\tfrac12-1+\tfrac12\right)\boldsymbol b=\boldsymbol 0

和为零向量,说明三条中线向量首尾相接能拼成一个封闭三角形。 这条结论对任意三角形都成立,算完顺手加一下,四个系数错一个就露馅。

练习(第 27 页)第 2 题

  1. 如图,平行四边形 ABCDABCD 的两条对角线相交于点 OO,AB→=a\overrightarrow{AB} = a,AD→=b\overrightarrow{AD} = b,点 EE,FF 分别是 OAOA,OCOC 的中点,GG 是 CDCD 的三等分点(DG=13CDDG = \frac{1}{3}CD).

(1) 用 a, b 表示 DE→\overrightarrow{DE} , FB→\overrightarrow{FB} , OG→\overrightarrow{OG} ;

(2) 能由 (1) 得出 DE, BF 的关系吗?

(第2题)

先把 OO、EE、FF、GG 四个点统一用 a\boldsymbol a、b\boldsymbol b 定位, 一律以 AA 为起点,后面三个小问就只剩作差:

  • AB→=a\overrightarrow{AB}=\boldsymbol a,AD→=b\overrightarrow{AD}=\boldsymbol b, 由平行四边形法则 AC→=a+b\overrightarrow{AC}=\boldsymbol a+\boldsymbol b;
  • OO 是对角线交点,也就是 ACAC 的中点,所以 AO→=12(a+b)\overrightarrow{AO}=\frac12(\boldsymbol a+\boldsymbol b);
  • EE 是 OAOA 的中点,所以 AE→=12AO→=14(a+b)\overrightarrow{AE}=\frac12\overrightarrow{AO}=\frac14(\boldsymbol a+\boldsymbol b);
  • FF 是 OCOC 的中点,所以 AF→=AO→+12OC→=34(a+b)\overrightarrow{AF}=\overrightarrow{AO}+\frac12\overrightarrow{OC}=\frac34(\boldsymbol a+\boldsymbol b);
  • GG 在 DCDC 上且 DG=13DCDG=\frac13 DC,而 DC→=AB→=a\overrightarrow{DC}=\overrightarrow{AB}=\boldsymbol a, 所以 AG→=b+13a\overrightarrow{AG}=\boldsymbol b+\frac13\boldsymbol a。

(1) 三个向量

DE→=AE→−AD→=14(a+b)−b=14a−34b\overrightarrow{DE}=\overrightarrow{AE}-\overrightarrow{AD}=\frac14(\boldsymbol a+\boldsymbol b)-\boldsymbol b=\frac14\boldsymbol a-\frac34\boldsymbol b

FB→=AB→−AF→=a−34(a+b)=14a−34b\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AF}=\boldsymbol a-\frac34(\boldsymbol a+\boldsymbol b)=\frac14\boldsymbol a-\frac34\boldsymbol b

OG→=AG→−AO→=(13a+b)−12(a+b)=−16a+12b\overrightarrow{OG}=\overrightarrow{AG}-\overrightarrow{AO}=\left(\frac13\boldsymbol a+\boldsymbol b\right)-\frac12(\boldsymbol a+\boldsymbol b)=-\frac16\boldsymbol a+\frac12\boldsymbol b

(2) DEDE 与 BFBF 的关系

能。(1) 里前两个结果一模一样:

DE→=FB→=14a−34b\overrightarrow{DE}=\overrightarrow{FB}=\frac14\boldsymbol a-\frac34\boldsymbol b

两个向量相等,就意味着它们方向相同、长度相等,于是

DE ∥ BF,∣DE∣=∣BF∣DE\ \parallel\ BF,\qquad |DE|=|BF|

换成 BF→\overrightarrow{BF} 来说是 DE→=−BF→\overrightarrow{DE}=-\overrightarrow{BF},即两者平行、等长、方向相反。 几何上等价于四边形 DEBFDEBF 是平行四边形:它的两条对角线是 DBDB 与 EFEF,

EF 的中点=12(14+34)(a+b)=12(a+b)=DB 的中点\text{$EF$ 的中点}=\frac12\left(\tfrac14+\tfrac34\right)(\boldsymbol a+\boldsymbol b)=\frac12(\boldsymbol a+\boldsymbol b)=\text{$DB$ 的中点}

两条对角线互相平分,正是平行四边形。回头看图,D→ED\to E 与 F→BF\to B 两支箭头同向等长, 和算出来的结论对得上。

这道题真正想训练的不是答案,是”先定位、再作差”这个顺序。 如果一上来就盯着 DE→\overrightarrow{DE} 去凑,很难看出它和 FB→\overrightarrow{FB} 有关系; 把四个点都写成以 AA 为起点的向量之后,关系是自己浮出来的。

练习(第 27 页)第 3 题

  1. 如图,在 △ABC\triangle ABC 中,AD=14ABAD = \frac{1}{4} AB,点 EE,FF 分别是 ACAC,BCBC 的中点。设 AB→=a\overrightarrow{AB} = \boldsymbol{a},AC→=b\overrightarrow{AC} = \boldsymbol{b}。

(1) 用 a, b 表示 CD→\overrightarrow{CD} , EF→\overrightarrow{EF} .

(第3题)

(2) 如果 ∠A=60∘\angle A = 60^{\circ} ,AB = 2AC,CD,EF 有什么关系?用向量方法证明你的结论.

(1) 两个向量

DD 在 ABAB 上且 AD→=14a\overrightarrow{AD}=\frac14\boldsymbol a,所以

CD→=AD→−AC→=14a−b\overrightarrow{CD}=\overrightarrow{AD}-\overrightarrow{AC}=\frac14\boldsymbol a-\boldsymbol b

EE、FF 分别是 ACAC、BCBC 的中点,EFEF 是 △ABC\triangle ABC 的中位线:

EF→=AF→−AE→=12(a+b)−12b=12a\overrightarrow{EF}=\overrightarrow{AF}-\overrightarrow{AE}=\frac12(\boldsymbol a+\boldsymbol b)-\frac12\boldsymbol b=\frac12\boldsymbol a

EF→=12a\overrightarrow{EF}=\frac12\boldsymbol a 这个结果本身就是中位线定理的向量版: EFEF 与 ABAB 同向,长度是 ABAB 的一半。

(2) 加上 ∠A=60∘\angle A=60^\circ、AB=2ACAB=2AC 之后

结论是 CD⊥EFCD\perp EF。 证明只需算一个数量积。设 ∣AC∣=m|AC|=m,则

∣b∣=m,∣a∣=2m,a⋅b=2m⋅m⋅cos⁡60∘=m2|\boldsymbol b|=m,\qquad |\boldsymbol a|=2m,\qquad \boldsymbol a\cdot\boldsymbol b=2m\cdot m\cdot\cos 60^\circ=m^2

于是

CD→⋅EF→=(14a−b)⋅12a=18∣a∣2−12 a⋅b\overrightarrow{CD}\cdot\overrightarrow{EF}=\left(\frac14\boldsymbol a-\boldsymbol b\right)\cdot\frac12\boldsymbol a=\frac18|\boldsymbol a|^2-\frac12\,\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b

=18⋅4m2−12m2=12m2−12m2=0=\frac18\cdot 4m^2-\frac12 m^2=\frac12 m^2-\frac12 m^2=0

数量积为零且两个向量都不是零向量,所以 CD⊥EFCD\perp EF。

顺手把长度也算出来,免得答成”垂直且相等”:

∣EF→∣=12∣a∣=m|\overrightarrow{EF}|=\frac12|\boldsymbol a|=m

∣CD→∣2=116∣a∣2−12 a⋅b+∣b∣2=14m2−12m2+m2=34m2|\overrightarrow{CD}|^2=\frac1{16}|\boldsymbol a|^2-\frac12\,\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b+|\boldsymbol b|^2=\frac14m^2-\frac12m^2+m^2=\frac34m^2

所以 ∣CD∣=32m≠∣EF∣|CD|=\frac{\sqrt3}{2}m\neq |EF|,两者只是垂直,并不相等。

这个条件组合背后是一个很整齐的图形

题目为什么偏偏给 ∠A=60∘\angle A=60^\circ 和 AB=2ACAB=2AC?把 BCBC 算出来就清楚了:

∣BC→∣2=∣b−a∣2=4m2−2m2+m2=3m2|\overrightarrow{BC}|^2=|\boldsymbol b-\boldsymbol a|^2=4m^2-2m^2+m^2=3m^2

于是 ∣BC∣=3 m|BC|=\sqrt3\,m,而

∣AC∣2+∣BC∣2=m2+3m2=4m2=∣AB∣2|AC|^2+|BC|^2=m^2+3m^2=4m^2=|AB|^2

所以 △ABC\triangle ABC 是以 CC 为直角顶点的直角三角形。 又因为 EFEF 是中位线、 与 ABAB 平行,所以"CD⊥EFCD\perp EF"就等价于"CD⊥ABCD\perp AB",也就是说 DD 应当是斜边上高的垂足。 验一验:直角三角形里射影定理给出

AD=AC2AB=m22m=m2=14ABAD=\frac{AC^2}{AB}=\frac{m^2}{2m}=\frac m2=\frac14 AB

正好是题目给的 DD 的位置。

题设里的三个条件是配套设计出来的,14\frac14 这个系数不是随便取的。 图里 CDCD 画成竖直、EFEF 画成水平,也正是在提示这一点。

原书转写(OCR,供核对)

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直角三角形.

证明:如图6.3-6,设 CD→=a\overrightarrow{CD} = a , DA→=b\overrightarrow{DA} = b ,则 CA→=a+b\overrightarrow{CA} = a + b ,DB→=−b\overrightarrow{DB} = -b ,于是 CB→=a−b\overrightarrow{CB} = a - b

CA→⋅CB→=(a+b)⋅(a−b)=a2−b2.\overrightarrow {C A} \cdot \overrightarrow {C B} = (a + b) \cdot (a - b) = a ^ {2} - b ^ {2}.

图6.3-6

因为 CD=12ABCD=\frac{1}{2}AB ,

所以 CD=DA.

因为 a2=CD2a^{2}=CD^{2} , b2=DA2b^{2}=DA^{2} ,

所以 CA→⋅CB→=0.\overrightarrow{CA} \cdot \overrightarrow{CB} = 0.

因此 CA⊥CBCA \perp CB.

于是 △ABC\triangle ABC 是直角三角形.

向量的数量积是否为零,是判断相应的两条线段(或直线)是否垂直的重要方法之一.

练习

  1. 如图,AD,BE,CF 是△ABC 的三条中线, CA→=a\overrightarrow{CA}=a , CB→=b\overrightarrow{CB}=b 。用 a,b 表示 AB→\overrightarrow{AB} , AD→\overrightarrow{AD} , BE→\overrightarrow{BE} , CF→\overrightarrow{CF} 。

(第1题)

(第2题)

  1. 如图,平行四边形 ABCDABCD 的两条对角线相交于点 OO,AB→=a\overrightarrow{AB} = a,AD→=b\overrightarrow{AD} = b,点 EE,FF 分别是 OAOA,OCOC 的中点,GG 是 CDCD 的三等分点(DG=13CDDG = \frac{1}{3}CD).

(1) 用 a, b 表示 DE→\overrightarrow{DE} , FB→\overrightarrow{FB} , OG→\overrightarrow{OG} ;

(2) 能由 (1) 得出 DE, BF 的关系吗?

  1. 如图,在 △ABC\triangle ABC 中,AD=14ABAD = \frac{1}{4} AB,点 EE,FF 分别是 ACAC,BCBC 的中点。设 AB→=a\overrightarrow{AB} = \boldsymbol{a},AC→=b\overrightarrow{AC} = \boldsymbol{b}。

(1) 用 a, b 表示 CD→\overrightarrow{CD} , EF→\overrightarrow{EF} .

(2) 如果 ∠A=60∘\angle A = 60^{\circ} ,AB = 2AC,CD,EF 有什么关系?用向量方法证明你的结论.

(第3题)

6.3.2 平面向量的正交分解及坐标表示

给定平面内两个不共线的向量 e1e_1 , e2e_2 ,由平面向量基本定理可知,平面上的任意向量 aa ,均可分解为两个向量 λ1e1\lambda_1e_1 , λ2e2\lambda_2e_2 ,即 a=λ1e1+λ2e2a = \lambda_1e_1 + \lambda_2e_2 ,其中向量 λ1e1\lambda_1e_1 与 e1e_1 共线,向

量 λ2e2\lambda_{2}e_{2} 与 e2e_{2} 共线.

不共线的两个向量相互垂直是一种重要的情形. 把一个向量分解为两个互相垂直的向量, 叫做把向量作正交分解. 如图 6.3-7, 重力 GG 沿互相垂直的两个方向分解就是正交分解. 正交分解是向量分解中常见而实用的一种情形.

图6.3-7

● ●

重力 G 可以分解为这样两个分力:平行于斜面使木块沿斜面下滑的力 F1F_{1} ,垂直于斜面的压力 F2F_{2} .

在平面上,如果选取互相垂直的向量作为基底时,将为我们研究问题带来方便.

思考

我们知道,在平面直角坐标系中,每一个点都可用一对有序实数(即它的坐标)表示.那么,如何表示直角坐标平面内的一个向量呢?

如图 6.3-8,在平面直角坐标系中,设与 x 轴、y 轴方向相同的两个单位向量分别为 i,j,取 {i,j}\{i, j\} 作为基底。对于平面内的任意一个向量 a,由平面向量基本定理可知,有且只有一对实数 x,y,使得

a=xi+yj.\boldsymbol {a} = x \boldsymbol {i} + y \boldsymbol {j}.

这样,平面内的任一向量 a 都可由 x,y 唯一确定,我们把有序数对 (x,y)(x, y) 叫做向量 a 的坐标,记作

a=(x,y).(1◯)\boldsymbol {a} = (x, y).\tag{\text{\textcircled{1}}}

其中,x 叫做 a 在 x 轴上的坐标,y 叫做 a 在 y 轴上的坐标,①叫做向量 a 的坐标表示.

显然, i=(1,0)i=(1,0) , j=(0,1)j=(0,1) , 0=(0,0)\mathbf{0}=(0,0) .

如图 6.3-9,在直角坐标平面中,以原点 O 为起点作 OA→=a\overrightarrow{OA}=a ,则点 A 的位置由向量 a 唯一确定.

设 OA→=xi+yj\overrightarrow{OA}=xi+yj ,则向量 OA→\overrightarrow{OA} 的坐标 (x,y)(x,y) 就是终点A的坐标;反过来,终点A的坐标 (x,y)(x,y) 也就是向量 OA→\overrightarrow{OA} 的坐标。因为 OA→=a\overrightarrow{OA}=a ,所以终点A的坐标 (x,y)(x,y) 就是向量a的坐标。这样就建立了向量的坐标与点的坐标之间的联系。

图6.3-8

图6.3-9