6.3.5 平面向量数量积的坐标表示

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。

前三节把加、减、数乘都搬进了坐标。这一节补上最后一种运算——数量积, 而它一进坐标,向量这套工具就真正闭合了:长度、垂直、夹角,全都能只靠四个数算出来。

这一节是整章的收口,也是整册最”高考”的一节。立体几何大题里的建系解法、 解析几何里的垂直条件、三角恒等变换里的两角差余弦公式,源头都在这一行公式上。

一、一行公式,三个推论

设 a=(x1,y1)a = (x_1, y_1),b=(x2,y2)b = (x_2, y_2)。把两式按基底展开相乘,用上 i⋅i=j⋅j=1i \cdot i = j \cdot j = 1、i⋅j=j⋅i=0i \cdot j = j \cdot i = 0 (ii、jj 是互相垂直的单位向量,这三条就是它们的全部性质),交叉项全部消掉:

a⋅b=(x1i+y1j)⋅(x2i+y2j)=x1x2 i2+(x1y2+y1x2) i⋅j+y1y2 j2=x1x2+y1y2.a \cdot b = (x_1 i + y_1 j) \cdot (x_2 i + y_2 j) = x_1 x_2\, i^2 + (x_1 y_2 + y_1 x_2)\, i \cdot j + y_1 y_2\, j^2 = x_1 x_2 + y_1 y_2 .

两个向量的数量积,等于它们对应坐标的乘积的和。

由它立刻长出三条推论,这三条才是做题时真正用的:

① 长度:令 b=ab = a,得 ∣a∣2=a⋅a=x2+y2|a|^2 = a \cdot a = x^2 + y^2,即

∣a∣=x2+y2.|a| = \sqrt{x^2 + y^2}.

若 aa 由有向线段 AB→\overrightarrow{AB} 表示,A(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x2,y2)B(x_2, y_2),则先”终点减起点”再取模:

∣AB→∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2.|\overrightarrow{AB}| = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}.

这正是两点间距离公式——它不是新东西,是数量积的一个特例。

② 垂直:两个非零向量夹角为 90∘90^\circ 时 cos⁡θ=0\cos\theta = 0,故

a⊥b  ⟺  x1x2+y1y2=0.a \perp b \iff x_1 x_2 + y_1 y_2 = 0.

注意这是”和”,不是”差”。上一节的共线判据是 x1y2−x2y1=0x_1 y_2 - x_2 y_1 = 0(交叉相乘再相减), 这一节的垂直判据是 x1x2+y1y2=0x_1 x_2 + y_1 y_2 = 0(对应相乘再相加)。两条式子长得像、意思相反, 是这一章最高频的混淆点。记法:平行看交叉、垂直看对应。

③ 夹角:设 aa、bb 都是非零向量,夹角为 θ\theta,则

cos⁡θ=a⋅b∣a∣∣b∣=x1x2+y1y2x12+y12 x22+y22.\cos\theta = \frac{a \cdot b}{|a||b|} = \frac{x_1 x_2 + y_1 y_2}{\sqrt{x_1^2 + y_1^2}\,\sqrt{x_2^2 + y_2^2}}.

用它求角时必须先声明两个向量都非零(否则夹角没有定义、分母为 00), 并记住向量夹角的范围是 [0∘,180∘][0^\circ, 180^\circ]——所以 cos⁡θ\cos\theta 为负时角是钝角,不必再讨论第二个解。

二、坐标法与几何法:什么时候用哪一个

数量积有两副面孔:

a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θ与a⋅b=x1x2+y1y2.a \cdot b = |a||b|\cos\theta \qquad\text{与}\qquad a \cdot b = x_1 x_2 + y_1 y_2 .

左边那副是定义,右边这副是算法。做题时的分工很清楚:

  • 题目给了坐标(或容易建系) → 用右边。把所有几何条件翻译成坐标等式,剩下的是代数。 立体几何大题的”建系解法”、解析几何里”证垂直”,走的都是这条。
  • 题目只给长度与夹角、没有坐标 → 用左边。此时把待求的向量拆成已知向量的线性组合, 再逐项展开,用 a⋅a=∣a∣2a \cdot a = |a|^2 收口。课本习题第 11 题就是这一路。

两副面孔可以互相验:算完坐标后代回定义式核一遍 cos⁡θ\cos\theta 是否落在 [−1,1][-1, 1] 内,是很便宜的自检。

三、一个值得单独看的例子:两角差的余弦公式

课本例 12 用向量证了

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β.\cos(\alpha - \beta) = \cos\alpha\cos\beta + \sin\alpha\sin\beta .

思路只有一句话:把两个角的终边与单位圆的交点写成坐标,一个数量积同时有两种算法。 设单位圆上 A(cos⁡α,sin⁡α)A(\cos\alpha, \sin\alpha)、B(cos⁡β,sin⁡β)B(\cos\beta, \sin\beta),那么

  • 按坐标算:OA→⋅OB→=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = \cos\alpha\cos\beta + \sin\alpha\sin\beta;
  • 按定义算:OA→⋅OB→=∣OA→∣∣OB→∣cos⁡θ=cos⁡θ\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = |\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}|\cos\theta = \cos\theta(两个都是单位向量)。

两式相等即得 cos⁡θ=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos\theta = \cos\alpha\cos\beta + \sin\alpha\sin\beta,再说明 α−β=2kπ±θ\alpha - \beta = 2k\pi \pm \theta、 从而 cos⁡(α−β)=cos⁡θ\cos(\alpha-\beta) = \cos\theta,证毕。

这个例子值得记住的不是结论(三角那一章会再证一遍),而是动作: 同一个量用两种方式算,等号就是一条新公式。这是向量作为工具最常见的用法。

四、易错清单

按失分频率排:

  1. 垂直判据与共线判据写混。 垂直是 x1x2+y1y2=0x_1x_2 + y_1y_2 = 0,共线是 x1y2−x2y1=0x_1y_2 - x_2y_1 = 0。 先在草稿上写清”我要判的是平行还是垂直”再动笔。
  2. (a+b)2(a+b)^2 当成了数的平方。 向量没有平方运算的乘法定义,(a+b)2(a+b)^2 是约定写法, 指 (a+b)⋅(a+b)=∣a+b∣2(a+b)\cdot(a+b) = |a+b|^2,结果是一个数,不是向量。
  3. 求夹角忘了先验非零。 cos⁡θ\cos\theta 的分母是 ∣a∣∣b∣|a||b|,两个向量任一为零向量时夹角无定义。
  4. 模忘了开方,或开方后忘了取正。 ∣a∣2=x2+y2|a|^2 = x^2 + y^2 与 ∣a∣=x2+y2|a| = \sqrt{x^2+y^2} 差一步; 模永远非负。
  5. ”a∥ba \parallel b 求 aa“只写一个答案。 与 bb 平行、模给定的向量有两个(同向与反向), 除非题目额外限定方向。同理”与 aa 垂直的单位向量”也有两个。
  6. 精度要求没兑现。 “精确到 1∘1^\circ“就真的四舍五入到度;中间的 cos⁡θ\cos\theta 要多留几位, 早取近似会把角推错一度。

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:

  • 先做 2023 年第 3 题与 2024 年第 3 题:两道都是”向量垂直求参数”的小题, 正是 ② 那条判据最直接的一次应用——把 ⊥\perp 换成一个等式,解方程。
  • 再做 2025 年第 6 题(帆船视风求真风):坐标硬算那条路里,加减与数量积混在一起用。
  • 顺手看一眼 2015 年第 15 题(空间单位向量求模):它把 e⃗1,e⃗2,b⃗\vec e_1,\vec e_2,\vec b 一起摆进坐标系之后,两个已知的数量积就是两条一次方程,解出 b⃗\vec b 的前两个坐标; 而第三个坐标 tt,这两条方程一点也管不着。这正好把本节公式的”读数”性质摆到明处: a⃗⋅b⃗\vec a\cdot\vec b 读出的是投影,不是全部。少一个方程,就少定住一维。
  • 然后是 2022 年第 17 题(正八边形上八段距离平方和):它的建系解法把每一段距离写成 ∣PQ→∣2=PQ→⋅PQ→|\overrightarrow{PQ}|^2 = \overrightarrow{PQ} \cdot \overrightarrow{PQ} 再展开,用的就是 ① 与那条”平方即自身数量积”的恒等式。
  • 最后是四道立体几何大题 2022 年第 19 题、2023 年第 18 题、2025 年第 9 题、2025 年第 17 题: 建系之后,法向量、线面角、二面角全部落在”两个坐标向量的数量积”上。 这一节是空间向量法的平面预演:三维那套公式只是把每处的两个分量换成三个,判据一字不改。

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。

本节页面上共有 19 道课本习题:第 43 页「练习」3 道,以及排在本节末尾的「习题 6.3」16 道 (第 43—44 页,复习巩固 1—14、拓广探索 15—16),逐题全做。

「习题 6.3」是整个 §6.3 的习题,覆盖平面向量基本定理、正交分解与坐标表示、加减与数乘的坐标表示、 数量积的坐标表示——它印在本节的页上,故整组都收在这一份里。没有开放式、无唯一解答的题, 因此一道不落。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 43 页)第 1 题

  1. 已知 a=(−3,4)a = (-3, 4), b=(5,2)b = (5, 2), 求 ∣a∣|a|, ∣b∣|b|, a⋅ba \cdot b.

用模与数量积的坐标公式:∣(x,y)∣=x2+y2|(x, y)| = \sqrt{x^2 + y^2},(x1,y1)⋅(x2,y2)=x1x2+y1y2(x_1,y_1)\cdot(x_2,y_2) = x_1x_2 + y_1y_2。

∣a∣=(−3)2+42=9+16=25=5,|a| = \sqrt{(-3)^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5, ∣b∣=52+22=25+4=29,|b| = \sqrt{5^2 + 2^2} = \sqrt{25 + 4} = \sqrt{29}, a⋅b=(−3)×5+4×2=−15+8=−7.a \cdot b = (-3) \times 5 + 4 \times 2 = -15 + 8 = -7 .

29\sqrt{29} 不是完全平方,保留根号即可,不必写成小数。

自检:由 a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θa\cdot b = |a||b|\cos\theta 得 cos⁡θ=−7529≈−0.26\cos\theta = \dfrac{-7}{5\sqrt{29}} \approx -0.26,落在 [−1,1][-1, 1] 内, 数值合理;a⋅b<0a\cdot b < 0 说明 aa 与 bb 的夹角是钝角。

这道题的关键动作:模是坐标平方和的算术根(先平方求和、再开方),数量积是对应坐标乘积之和。

练习(第 43 页)第 2 题

  1. 已知 a=(2,3)a = (2, 3), b=(−2,4)b = (-2, 4), c=(−1,−2)c = (-1, -2). 求 a⋅ba \cdot b, (a+b)⋅(a−b)(a + b) \cdot (a - b), a⋅(b+c)a \cdot (b + c), (a+b)2(a + b)^2.

四问都先把括号里的向量算成坐标,再做一次数量积。

第一问:

a⋅b=2×(−2)+3×4=−4+12=8.a \cdot b = 2 \times (-2) + 3 \times 4 = -4 + 12 = 8 .

第二问:先求两个向量的坐标,

a+b=(2+(−2), 3+4)=(0,7),a−b=(2−(−2), 3−4)=(4,−1),a + b = (2 + (-2),\ 3 + 4) = (0, 7), \qquad a - b = (2 - (-2),\ 3 - 4) = (4, -1), (a+b)⋅(a−b)=0×4+7×(−1)=−7.(a + b)\cdot(a - b) = 0 \times 4 + 7 \times (-1) = -7 .

核一遍:数量积满足分配律与交换律,所以 (a+b)⋅(a−b)=∣a∣2−∣b∣2(a+b)\cdot(a-b) = |a|^2 - |b|^2。 而 ∣a∣2=22+32=13|a|^2 = 2^2 + 3^2 = 13,∣b∣2=(−2)2+42=20|b|^2 = (-2)^2 + 4^2 = 20,13−20=−713 - 20 = -7,与直接算的一致。

第三问:

b+c=(−2+(−1), 4+(−2))=(−3,2),b + c = (-2 + (-1),\ 4 + (-2)) = (-3, 2), a⋅(b+c)=2×(−3)+3×2=−6+6=0.a \cdot (b + c) = 2 \times (-3) + 3 \times 2 = -6 + 6 = 0 .

结果为 00 且两个向量都非零,所以 a⊥(b+c)a \perp (b + c)。

第四问:(a+b)2(a+b)^2 是 (a+b)⋅(a+b)(a+b)\cdot(a+b) 的约定写法,结果是一个数:

(a+b)2=(0,7)⋅(0,7)=02+72=49.(a + b)^2 = (0, 7)\cdot(0, 7) = 0^2 + 7^2 = 49 .

也就是 ∣a+b∣2=49|a + b|^2 = 49,与 ∣a+b∣=7|a+b| = 7 相符。

这道题的关键动作:向量的”平方”指的是它与自身的数量积,等于模的平方,是标量; 遇到括号先算坐标,比展开成 a⋅a±2a⋅b+b⋅ba\cdot a \pm 2a\cdot b + b\cdot b 更不容易错。

练习(第 43 页)第 3 题

  1. 已知 a=(3,2)a = (3, 2), b=(5,−7)b = (5, -7), 利用计算工具, 求 aa 与 bb 的夹角 θ\theta (精确到 1∘1^{\circ}).

两个向量都非零(a≠0a \neq \mathbf{0},b≠0b \neq \mathbf{0}),夹角有定义,且 θ∈[0∘,180∘]\theta \in [0^\circ, 180^\circ]。用

cos⁡θ=a⋅b∣a∣ ∣b∣.\cos\theta = \frac{a \cdot b}{|a|\,|b|} .

先算三个量:

a⋅b=3×5+2×(−7)=15−14=1,a \cdot b = 3 \times 5 + 2 \times (-7) = 15 - 14 = 1, ∣a∣=32+22=13,∣b∣=52+(−7)2=74.|a| = \sqrt{3^2 + 2^2} = \sqrt{13}, \qquad |b| = \sqrt{5^2 + (-7)^2} = \sqrt{74} .

于是

cos⁡θ=113 74=1962≈131.0161≈0.032241.\cos\theta = \frac{1}{\sqrt{13}\,\sqrt{74}} = \frac{1}{\sqrt{962}} \approx \frac{1}{31.0161} \approx 0.032241 .

用计算工具取反余弦:

θ=arccos⁡0.032241≈88.15∘≈88∘.\theta = \arccos 0.032241 \approx 88.15^\circ \approx 88^\circ .

中间量多留几位:若把 cos⁡θ\cos\theta 早早写成 0.030.03,反余弦得 88.28∘88.28^\circ,虽然四舍五入后仍是 88∘88^\circ, 但这个余量并不总是有的——本题保留到小数点后六位再取角,才与”精确到 1∘1^\circ“的要求匹配。

自检:a⋅b=1>0a \cdot b = 1 > 0 且很小,说明夹角是锐角但接近直角,88∘88^\circ 与之相符。

这道题的关键动作:先分别算 a⋅ba\cdot b、∣a∣|a|、∣b∣|b| 三个数,再合成 cos⁡θ\cos\theta; θ\theta 的范围是 [0∘,180∘][0^\circ, 180^\circ],反余弦给出的就是唯一解,不必再讨论。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 1 题

  1. 如图,在 △ABC\triangle ABC 中,AD=13ABAD = \frac{1}{3} AB,点 EE 是 CDCD 的中点。设 AB→=a\overrightarrow{AB} = a,AC→=b\overrightarrow{AC} = b,用 aa,bb 表示 CD→\overrightarrow{CD},AE→\overrightarrow{AE}。

由 AD=13ABAD = \dfrac13 AB 且 DD 在线段 ABAB 上,得

AD→=13AB→=13a.\overrightarrow{AD} = \frac{1}{3}\overrightarrow{AB} = \frac{1}{3}a .

求 CD→\overrightarrow{CD}:用”终点减起点”的向量版本(三角形法则移项), CD→=AD→−AC→\overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AC},所以

CD→=13a−b.\overrightarrow{CD} = \frac{1}{3}a - b .

求 AE→\overrightarrow{AE}:EE 是 CDCD 的中点,故 CE→=12CD→\overrightarrow{CE} = \dfrac12 \overrightarrow{CD},于是

AE→=AC→+CE→=b+12(13a−b)=16a+12b.\overrightarrow{AE} = \overrightarrow{AC} + \overrightarrow{CE} = b + \frac{1}{2}\left(\frac{1}{3}a - b\right) = \frac{1}{6}a + \frac{1}{2}b .

换一条路核一遍:中点还满足 AE→=12(AC→+AD→)\overrightarrow{AE} = \dfrac12\left(\overrightarrow{AC} + \overrightarrow{AD}\right),代入得

AE→=12(b+13a)=16a+12b,\overrightarrow{AE} = \frac{1}{2}\left(b + \frac{1}{3}a\right) = \frac{1}{6}a + \frac{1}{2}b ,

两条路一致。

这道题的关键动作:把每个待求向量都拆成”从 AA 出发”的两段,因为题目只给了从 AA 出发的两个基向量。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 2 题

  1. 已知作用在坐标原点的三个力分别为 F1=(3,4)F_{1} = (3, 4),F2=(2,−5)F_{2} = (2, -5),F3=(3,1)F_{3} = (3, 1),求作用在原点的合力 F1+F2+F3F_{1} + F_{2} + F_{3} 的坐标.

合力就是三个力向量的和,按坐标逐分量相加:

F1+F2+F3=(3+2+3, 4+(−5)+1)=(8,0).F_1 + F_2 + F_3 = (3 + 2 + 3,\ 4 + (-5) + 1) = (8, 0) .

自检:纵坐标 4−5+1=04 - 5 + 1 = 0,说明三个力在竖直方向上恰好抵消,合力沿 xx 轴正方向, 大小 ∣F1+F2+F3∣=8|F_1+F_2+F_3| = 8。

这道题的关键动作:多个向量相加时,把同一位置的分量排成一列一次加完,比两两相加少一次抄写。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 3 题

  1. 在下列各小题中,已知向量 a 的坐标,以及表示 a 的有向线段 AB→\overrightarrow{AB} 的起点 A 的坐标,求终点 B 的坐标: (1) a=(−2,1)a=(-2,1) , A(0,0)A(0,0) ; (2) a=(1,3)a=(1,3) , A(−1,5)A(-1,5) ; (3) a=(−2,−5)a=(-2, -5) , A(3,7)A(3, 7) .

由 AB→=(终点)−(起点)\overrightarrow{AB} = (\text{终点}) - (\text{起点}) 反解终点:设 A(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x,y)B(x, y)、a=(m,n)a = (m, n), 则 (x−x1, y−y1)=(m,n)(x - x_1,\ y - y_1) = (m, n),即

B(x1+m, y1+n).B(x_1 + m,\ y_1 + n) .

(1)a=(−2,1)a = (-2, 1),A(0,0)A(0, 0):B(0+(−2), 0+1)=B(−2,1)B(0 + (-2),\ 0 + 1) = B(-2, 1)。

(2)a=(1,3)a = (1, 3),A(−1,5)A(-1, 5):B(−1+1, 5+3)=B(0,8)B(-1 + 1,\ 5 + 3) = B(0, 8)。

(3)a=(−2,−5)a = (-2, -5),A(3,7)A(3, 7):B(3+(−2), 7+(−5))=B(1,2)B(3 + (-2),\ 7 + (-5)) = B(1, 2)。

自检:把每个答案代回”终点减起点”验一次。如(3):(1−3, 2−7)=(−2,−5)=a(1 - 3,\ 2 - 7) = (-2, -5) = a,相符。

这道题的关键动作:终点 = 起点 + 向量,是”终点减起点”的逆运算;别把加号写成减号。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 4 题

  1. 已知 □ABCD\square ABCD 的顶点 A(−1,−2)A(-1, -2), B(3,−1)B(3, -1), C(5,6)C(5, 6), 求顶点 DD 的坐标.

在平行四边形 ABCDABCD 中,ABAB 与 DCDC 是一组对边,方向相同、长度相等,所以

AB→=DC→.\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{DC} .

设 D(x,y)D(x, y)。先算左边:

AB→=(3−(−1), −1−(−2))=(4,1).\overrightarrow{AB} = (3 - (-1),\ -1 - (-2)) = (4, 1) .

右边 DC→=(5−x, 6−y)\overrightarrow{DC} = (5 - x,\ 6 - y)。两个向量相等即两个分量分别相等:

{5−x=4,6−y=1,⟹{x=1,y=5.\begin{cases} 5 - x = 4, \\ 6 - y = 1, \end{cases} \qquad\Longrightarrow\qquad \begin{cases} x = 1, \\ y = 5. \end{cases}

所以 D(1,5)D(1, 5)。

验前提与结果:另一组对边也应满足 AD→=BC→\overrightarrow{AD} = \overrightarrow{BC}。 AD→=(1−(−1), 5−(−2))=(2,7)\overrightarrow{AD} = (1 - (-1),\ 5 - (-2)) = (2, 7),BC→=(5−3, 6−(−1))=(2,7)\overrightarrow{BC} = (5 - 3,\ 6 - (-1)) = (2, 7),相等,相符。 再验四点不共线:AB→=(4,1)\overrightarrow{AB} = (4,1) 与 AD→=(2,7)\overrightarrow{AD} = (2,7) 满足 4×7−2×1=26≠04 \times 7 - 2 \times 1 = 26 \neq 0,两者不共线,所以 ABCDABCD 确是一个(非退化的)平行四边形。

这道题的关键动作:平行四边形的顶点次序决定哪两条边对应——ABCDABCD 里与 ABAB 成对的是 DCDC(不是 CDCD)。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 5 题

  1. 已知点 O(0,0)O(0, 0), A(1,2)A(1, 2), B(−1,3)B(-1, 3), 且 OA′→=2OA→\overrightarrow{OA'} = 2\overrightarrow{OA}, OB′→=3OB→\overrightarrow{OB'} = 3\overrightarrow{OB}, 求点 A′A', B′B' 及向量 A′B′→\overrightarrow{A'B'} 的坐标.

OO 是原点,所以从 OO 出发的向量的坐标就是终点的坐标:OA→=(1,2)\overrightarrow{OA} = (1, 2),OB→=(−1,3)\overrightarrow{OB} = (-1, 3)。

OA′→=2OA→=2(1,2)=(2,4) ⟹ A′(2,4),\overrightarrow{OA'} = 2\overrightarrow{OA} = 2(1, 2) = (2, 4) \ \Longrightarrow\ A'(2, 4), OB′→=3OB→=3(−1,3)=(−3,9) ⟹ B′(−3,9).\overrightarrow{OB'} = 3\overrightarrow{OB} = 3(-1, 3) = (-3, 9) \ \Longrightarrow\ B'(-3, 9).

再用”终点减起点”:

A′B′→=(−3−2, 9−4)=(−5,5).\overrightarrow{A'B'} = (-3 - 2,\ 9 - 4) = (-5, 5) .

自检:A′B′→=OB′→−OA′→=(−3,9)−(2,4)=(−5,5)\overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{OB'} - \overrightarrow{OA'} = (-3,9) - (2,4) = (-5,5),与上式一致。 另外 AB→=(−2,1)\overrightarrow{AB} = (-2, 1) 与 A′B′→=(−5,5)\overrightarrow{A'B'} = (-5,5) 并不平行(−2×5−(−5)×1=−5≠0-2 \times 5 - (-5) \times 1 = -5 \neq 0), 这说明”两个端点各自数乘”并不会把线段整体缩放——这一点值得留意,别想当然。

这道题的关键动作:原点出发的向量坐标 = 终点坐标,所以数乘之后可以直接读出新点。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 6 题

  1. 已知点 A(1,1)A(1, 1), B(−1,5)B(-1, 5), 且 AC→=12AB→\overrightarrow{AC} = \frac{1}{2}\overrightarrow{AB}, AD→=2AB→\overrightarrow{AD} = 2\overrightarrow{AB}, AE→=−12AB→\overrightarrow{AE} = -\frac{1}{2}\overrightarrow{AB}, 求点 C,D,EC, D, E 的坐标.

先算方向向量:

AB→=(−1−1, 5−1)=(−2,4).\overrightarrow{AB} = (-1 - 1,\ 5 - 1) = (-2, 4) .

三个点都由”起点 AA + 相应的向量”给出(终点 = 起点 + 向量):

AC→=12(−2,4)=(−1,2) ⟹ C(1+(−1), 1+2)=C(0,3),\overrightarrow{AC} = \frac{1}{2}(-2, 4) = (-1, 2) \ \Longrightarrow\ C(1 + (-1),\ 1 + 2) = C(0, 3), AD→=2(−2,4)=(−4,8) ⟹ D(1+(−4), 1+8)=D(−3,9),\overrightarrow{AD} = 2(-2, 4) = (-4, 8) \ \Longrightarrow\ D(1 + (-4),\ 1 + 8) = D(-3, 9), AE→=−12(−2,4)=(1,−2) ⟹ E(1+1, 1+(−2))=E(2,−1).\overrightarrow{AE} = -\frac{1}{2}(-2, 4) = (1, -2) \ \Longrightarrow\ E(1 + 1,\ 1 + (-2)) = E(2, -1).

读一读这三个点的位置:CC 是线段 ABAB 的中点(系数 12∈(0,1)\frac12 \in (0,1)); DD 在射线 ABAB 上、在 BB 之外(系数 2>12 > 1),且 BB 是 ADAD 的中点; EE 在射线 ABAB 的反向延长线上(系数为负)。系数的正负与大小,直接对应点落在哪一段。

自检:CC 若真是中点,应有 C(1+(−1)2, 1+52)=C(0,3)C\left(\dfrac{1 + (-1)}{2},\ \dfrac{1 + 5}{2}\right) = C(0, 3),相符。

这道题的关键动作:同一条直线上的点,都写成”AA + 系数 × AB→\overrightarrow{AB}“;系数即位置。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 7 题

  1. 你认为下列各组点具有什么样的位置关系?证明你的猜想. (1) A(1,2)A(1, 2) , B(−3,−4)B(-3, -4) , C(2,3.5)C(2, 3.5) ; (2) P(−1,2)P(-1, 2) , Q(0.5,0)Q(0.5, 0) , R(5,−6)R(5, -6) ; (3) E(9,1)E(9, 1) , F(1,−3)F(1, -3) , G(8,0.5)G(8, 0.5) .

猜想:三组点各自都是三点共线。

证法统一:取同一个起点写出两个向量,用共线的坐标充要条件 x1y2−x2y1=0x_1 y_2 - x_2 y_1 = 0 判它们平行;再指出两条直线有公共起点,从而三点共线。

(1) 取起点 AA:

AB→=(−3−1, −4−2)=(−4,−6),AC→=(2−1, 3.5−2)=(1,1.5).\overrightarrow{AB} = (-3 - 1,\ -4 - 2) = (-4, -6), \qquad \overrightarrow{AC} = (2 - 1,\ 3.5 - 2) = (1, 1.5). (−4)×1.5−1×(−6)=−6+6=0,(-4) \times 1.5 - 1 \times (-6) = -6 + 6 = 0 ,

所以 AB→∥AC→\overrightarrow{AB} \parallel \overrightarrow{AC}。又直线 ABAB 与直线 ACAC 有公共点 AA,故 AA、BB、CC 三点共线。 (也可直接看出 AB→=−4 AC→\overrightarrow{AB} = -4\,\overrightarrow{AC}。)

(2) 取起点 PP:

PQ→=(0.5−(−1), 0−2)=(1.5,−2),PR→=(5−(−1), −6−2)=(6,−8).\overrightarrow{PQ} = (0.5 - (-1),\ 0 - 2) = (1.5, -2), \qquad \overrightarrow{PR} = (5 - (-1),\ -6 - 2) = (6, -8). 1.5×(−8)−6×(−2)=−12+12=0,1.5 \times (-8) - 6 \times (-2) = -12 + 12 = 0 ,

所以 PQ→∥PR→\overrightarrow{PQ} \parallel \overrightarrow{PR};两者有公共点 PP,故 PP、QQ、RR 三点共线。 (PR→=4 PQ→\overrightarrow{PR} = 4\,\overrightarrow{PQ}。)

(3) 取起点 EE:

EF→=(1−9, −3−1)=(−8,−4),EG→=(8−9, 0.5−1)=(−1,−0.5).\overrightarrow{EF} = (1 - 9,\ -3 - 1) = (-8, -4), \qquad \overrightarrow{EG} = (8 - 9,\ 0.5 - 1) = (-1, -0.5). (−8)×(−0.5)−(−1)×(−4)=4−4=0,(-8) \times (-0.5) - (-1) \times (-4) = 4 - 4 = 0 ,

所以 EF→∥EG→\overrightarrow{EF} \parallel \overrightarrow{EG};两者有公共点 EE,故 EE、FF、GG 三点共线。 (EF→=8 EG→\overrightarrow{EF} = 8\,\overrightarrow{EG}。)

“有公共点”那一句不能省:只由 x1y2−x2y1=0x_1y_2 - x_2y_1 = 0 得到的是”两条直线平行或重合”, 两个向量共起点才把”平行”这一支排除掉,结论升级为重合,即三点共线。

这道题的关键动作:两个向量的起点取同一个点,共线判据加上公共点,证明才完整。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 8 题

  1. 分别在平面直角坐标系中作出下列各组点,猜想以 A, B, C 为顶点的三角形的形状,然后给出证明: (1) A(−1,−4)A(-1, -4) , B(5,2)B(5, 2) , C(3,4)C(3, 4) ; (2) A(−2,−3)A(-2, -3) , B(19,4)B(19, 4) , C(−1,−6)C(-1, -6) ; (3) A(2,5)A(2, 5) , B(5,2)B(5, 2) , C(10,7)C(10, 7) .

猜想:三组都是直角三角形(且都不是等腰的)。

判法:算出三边向量,找一对数量积为 00 的;再比三边长度,看是否等腰。

(1) A(−1,−4)A(-1,-4),B(5,2)B(5,2),C(3,4)C(3,4):

BA→=(−6,−6),BC→=(−2,2),AC→=(4,8).\overrightarrow{BA} = (-6, -6), \qquad \overrightarrow{BC} = (-2, 2), \qquad \overrightarrow{AC} = (4, 8). BA→⋅BC→=(−6)×(−2)+(−6)×2=12−12=0,\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC} = (-6)\times(-2) + (-6)\times 2 = 12 - 12 = 0 ,

且两者都不是零向量,所以 ∠ABC=90∘\angle ABC = 90^\circ,△ABC\triangle ABC 是直角三角形(直角在 BB)。 三边长:∣AB∣=72=62|AB| = \sqrt{72} = 6\sqrt{2},∣BC∣=8=22|BC| = \sqrt{8} = 2\sqrt{2},∣AC∣=80=45|AC| = \sqrt{80} = 4\sqrt{5},两两不等,非等腰。 勾股自检:72+8=8072 + 8 = 80,成立。

(2) A(−2,−3)A(-2,-3),B(19,4)B(19,4),C(−1,−6)C(-1,-6):

AB→=(21,7),AC→=(1,−3),BC→=(−20,−10).\overrightarrow{AB} = (21, 7), \qquad \overrightarrow{AC} = (1, -3), \qquad \overrightarrow{BC} = (-20, -10). AB→⋅AC→=21×1+7×(−3)=21−21=0,\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} = 21 \times 1 + 7 \times (-3) = 21 - 21 = 0 ,

两者都非零,所以 ∠BAC=90∘\angle BAC = 90^\circ,是直角三角形(直角在 AA)。 三边长:∣AB∣=490=710|AB| = \sqrt{490} = 7\sqrt{10},∣AC∣=10|AC| = \sqrt{10},∣BC∣=500=105|BC| = \sqrt{500} = 10\sqrt{5},非等腰。 勾股自检:490+10=500490 + 10 = 500,成立。

(3) A(2,5)A(2,5),B(5,2)B(5,2),C(10,7)C(10,7):

BA→=(−3,3),BC→=(5,5),AC→=(8,2).\overrightarrow{BA} = (-3, 3), \qquad \overrightarrow{BC} = (5, 5), \qquad \overrightarrow{AC} = (8, 2). BA→⋅BC→=(−3)×5+3×5=−15+15=0,\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC} = (-3)\times 5 + 3 \times 5 = -15 + 15 = 0 ,

两者都非零,所以 ∠ABC=90∘\angle ABC = 90^\circ,是直角三角形(直角在 BB)。 三边长:∣AB∣=18=32|AB| = \sqrt{18} = 3\sqrt{2},∣BC∣=50=52|BC| = \sqrt{50} = 5\sqrt{2},∣AC∣=68=217|AC| = \sqrt{68} = 2\sqrt{17},非等腰。 勾股自检:18+50=6818 + 50 = 68,成立。

还要说明它们确实是三角形:每组里那两个作数量积的向量都不共线(数量积为 00 且都非零, 必然不平行),所以三点不共线,三角形不退化。

这道题的关键动作:“是不是直角三角形”就是”有没有一对边向量数量积为 00”; 判完直角别忘了再比一次三边,“直角”与”等腰”要分别回答。

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 9 题

  1. 已知 ∣a∣=3|a| = 3, b=(1,2)b = (1, 2), 且 a∥ba \parallel b, 求 aa 的坐标.

b=(1,2)≠0b = (1,2) \neq \mathbf{0},且 a∥ba \parallel b,所以存在实数 λ\lambda 使

a=λb=(λ, 2λ).a = \lambda b = (\lambda,\ 2\lambda).

由 ∣a∣=3|a| = 3:

∣a∣=λ2+(2λ)2=5λ2=5 ∣λ∣=3 ⟹ ∣λ∣=35=355.|a| = \sqrt{\lambda^2 + (2\lambda)^2} = \sqrt{5\lambda^2} = \sqrt5\,|\lambda| = 3 \ \Longrightarrow\ |\lambda| = \frac{3}{\sqrt5} = \frac{3\sqrt5}{5}.

注意这里出现的是 ∣λ∣|\lambda|(开方取算术根),所以 λ\lambda 有正负两个值:

λ=355或λ=−355.\lambda = \frac{3\sqrt5}{5} \quad\text{或}\quad \lambda = -\frac{3\sqrt5}{5}.

代回 a=(λ,2λ)a = (\lambda, 2\lambda):

a=(355, 655)或a=(−355, −655).a = \left(\frac{3\sqrt5}{5},\ \frac{6\sqrt5}{5}\right) \quad\text{或}\quad a = \left(-\frac{3\sqrt5}{5},\ -\frac{6\sqrt5}{5}\right).

验一遍模:(355)2+(655)2=4525+18025=22525=9\left(\dfrac{3\sqrt5}{5}\right)^2 + \left(\dfrac{6\sqrt5}{5}\right)^2 = \dfrac{45}{25} + \dfrac{180}{25} = \dfrac{225}{25} = 9, 开方得 33,相符。

这道题的关键动作:与一个给定非零向量平行、且模已知的向量有两个(同向与反向), 根源是 ∣λ∣|\lambda| 那一步开方;题目没限定方向就必须两个都答。 (“非零”这个前提不能省:若 b=0b = \mathbf{0},则任何向量都与它平行,∣a∣=3|a| = 3 的解有无穷多个。 本题 b=(1,2)≠0b = (1,2) \neq \mathbf{0},前提满足。)

习题 6.3(第 43 页)复习巩固 第 10 题

  1. 已知 a=(4,2)a = (4, 2),求与 aa 垂直的单位向量的坐标.

设所求单位向量为 u=(x,y)u = (x, y)。它要同时满足两个条件:

u⊥a:4x+2y=0,∣u∣=1:x2+y2=1.u \perp a:\quad 4x + 2y = 0, \qquad |u| = 1:\quad x^2 + y^2 = 1 .

由第一式得 y=−2xy = -2x,代入第二式:

x2+(−2x)2=5x2=1 ⟹ x=±15=±55.x^2 + (-2x)^2 = 5x^2 = 1 \ \Longrightarrow\ x = \pm\frac{1}{\sqrt5} = \pm\frac{\sqrt5}{5}.

对应地 y=−2x=∓255y = -2x = \mp\dfrac{2\sqrt5}{5},所以

u=(55, −255)或u=(−55, 255).u = \left(\frac{\sqrt5}{5},\ -\frac{2\sqrt5}{5}\right) \quad\text{或}\quad u = \left(-\frac{\sqrt5}{5},\ \frac{2\sqrt5}{5}\right).

两条都验一遍: 4×55+2×(−255)=45−455=04 \times \dfrac{\sqrt5}{5} + 2 \times \left(-\dfrac{2\sqrt5}{5}\right) = \dfrac{4\sqrt5 - 4\sqrt5}{5} = 0,垂直成立; (55)2+(255)2=525+2025=1\left(\dfrac{\sqrt5}{5}\right)^2 + \left(\dfrac{2\sqrt5}{5}\right)^2 = \dfrac{5}{25} + \dfrac{20}{25} = 1,是单位向量。 另一个与它反向,同样满足。

这道题的关键动作:“垂直”给一个线性方程、“单位”给一个二次方程,联立必然出一对相反的解—— 与 aa 垂直的单位向量恰好有两个。

习题 6.3(第 44 页)复习巩固 第 11 题

  1. 如图,在平行四边形 ABCD 中,点 E 是 AB 的中点,点 F,G 分别是 AD,BC 的三等分点 (AF=13AD,BG=13BC)(AF=\frac{1}{3}AD, BG=\frac{1}{3}BC) . 设 AB→=a,AD→=b\overrightarrow{AB}=a, \overrightarrow{AD}=b , (1) 用 a, b 表示 EF→\overrightarrow{EF} , EG→\overrightarrow{EG} . (2) 如果 ∣b∣=32∣a∣\left|b\right|=\frac{3}{2}\left|a\right| ,EF,EG 有什么位置关系?用向量方法证明你的结论.

ABCDABCD 是平行四边形,所以 BC→=AD→=b\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AD} = b,且 aa 与 bb 不共线(否则四边形退化), 两者都不是零向量。

(1) 先把三个点相对 AA 的向量写出来:

AE→=12AB→=12a,AF→=13AD→=13b,\overrightarrow{AE} = \frac{1}{2}\overrightarrow{AB} = \frac{1}{2}a, \qquad \overrightarrow{AF} = \frac{1}{3}\overrightarrow{AD} = \frac{1}{3}b, AG→=AB→+BG→=a+13BC→=a+13b.\overrightarrow{AG} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BG} = a + \frac{1}{3}\overrightarrow{BC} = a + \frac{1}{3}b .

于是

EF→=AF→−AE→=−12a+13b,\overrightarrow{EF} = \overrightarrow{AF} - \overrightarrow{AE} = -\frac{1}{2}a + \frac{1}{3}b , EG→=AG→−AE→=(a+13b)−12a=12a+13b.\overrightarrow{EG} = \overrightarrow{AG} - \overrightarrow{AE} = \left(a + \frac{1}{3}b\right) - \frac{1}{2}a = \frac{1}{2}a + \frac{1}{3}b .

(2) 结论:EF⊥EGEF \perp EG。

证明。计算数量积,按分配律展开(a⋅b=b⋅aa \cdot b = b \cdot a,中间两项相消):

EF→⋅EG→=(−12a+13b)⋅(12a+13b)=−14∣a∣2−16a⋅b+16b⋅a+19∣b∣2=19∣b∣2−14∣a∣2.\overrightarrow{EF}\cdot\overrightarrow{EG} = \left(-\frac{1}{2}a + \frac{1}{3}b\right)\cdot\left(\frac{1}{2}a + \frac{1}{3}b\right) = -\frac{1}{4}|a|^2 - \frac{1}{6}a\cdot b + \frac{1}{6}b\cdot a + \frac{1}{9}|b|^2 = \frac{1}{9}|b|^2 - \frac{1}{4}|a|^2 .

代入条件 ∣b∣=32∣a∣|b| = \dfrac32 |a|,即 ∣b∣2=94∣a∣2|b|^2 = \dfrac94 |a|^2:

EF→⋅EG→=19⋅94∣a∣2−14∣a∣2=14∣a∣2−14∣a∣2=0.\overrightarrow{EF}\cdot\overrightarrow{EG} = \frac{1}{9}\cdot\frac{9}{4}|a|^2 - \frac{1}{4}|a|^2 = \frac{1}{4}|a|^2 - \frac{1}{4}|a|^2 = 0 .

还要验两个向量都非零(否则”垂直”无从谈起):因为 aa 与 bb 不共线, −12a+13b=0-\frac12 a + \frac13 b = \mathbf{0} 与 12a+13b=0\frac12 a + \frac13 b = \mathbf{0} 都不可能成立 (不共线的两个向量的线性组合为零,必须两个系数都为 00,而这里系数都不是 00)。 所以 EF→≠0\overrightarrow{EF} \neq \mathbf{0}、EG→≠0\overrightarrow{EG} \neq \mathbf{0}。

由数量积为 00 且两向量非零,得 EF→⊥EG→\overrightarrow{EF} \perp \overrightarrow{EG},即 EF⊥EGEF \perp EG。

注意展开时用的是哪一副面孔:本题没有坐标,用的是 a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θa\cdot b = |a||b|\cos\theta 那一副的代数性质 (分配律、交换律、a⋅a=∣a∣2a\cdot a = |a|^2)。a⋅ba\cdot b 这一项的具体值始终未知,但它在展开中自行抵消—— 这正是”设基向量、整体展开”这条路值钱的地方。

这道题的关键动作:把待判的两个向量都用同一组基 {a,b}\{a, b\} 表示,再展开数量积; 未知的 a⋅ba\cdot b 抵消掉之后,结论只依赖两个模的比例。

习题 6.3(第 44 页)复习巩固 第 12 题

  1. 已知点 O(0,0)O(0, 0), A(1,2)A(1, 2), B(4,5)B(4, 5), OP→=OA→+tAB→\overrightarrow{OP} = \overrightarrow{OA} + t \overrightarrow{AB}. 当 t=1t = 1, 12\frac{1}{2}, −2-2, 22 时, 分别求点 PP 的坐标.

先算方向向量:

AB→=(4−1, 5−2)=(3,3).\overrightarrow{AB} = (4 - 1,\ 5 - 2) = (3, 3).

OO 是原点,故 OP→\overrightarrow{OP} 的坐标就是 PP 的坐标:

OP→=(1,2)+t(3,3)=(1+3t, 2+3t).\overrightarrow{OP} = (1, 2) + t(3, 3) = (1 + 3t,\ 2 + 3t).

逐个代入:

  • t=1t = 1:P(1+3, 2+3)=P(4,5)P(1 + 3,\ 2 + 3) = P(4, 5),恰好就是点 BB;
  • t=12t = \dfrac12:P(1+32, 2+32)=P(52, 72)P\left(1 + \dfrac32,\ 2 + \dfrac32\right) = P\left(\dfrac52,\ \dfrac72\right),是线段 ABAB 的中点;
  • t=−2t = -2:P(1−6, 2−6)=P(−5,−4)P(1 - 6,\ 2 - 6) = P(-5, -4),在射线 ABAB 的反向延长线上;
  • t=2t = 2:P(1+6, 2+6)=P(7,8)P(1 + 6,\ 2 + 6) = P(7, 8),在 BB 之外的延长线上。

自检:四个点的横纵坐标之差恒为 1+3t−(2+3t)=−11 + 3t - (2 + 3t) = -1,即它们全落在直线 y=x+1y = x + 1 上, 而 A(1,2)A(1,2)、B(4,5)B(4,5) 也在这条直线上——与”PP 在直线 ABAB 上”相符。

这道题的关键动作:OP→=OA→+tAB→\overrightarrow{OP} = \overrightarrow{OA} + t\overrightarrow{AB} 是直线 ABAB 的向量参数式, tt 取遍实数就描出整条直线;t∈[0,1]t \in [0,1] 对应线段上的点。

习题 6.3(第 44 页)复习巩固 第 13 题

  1. 已知 A(2,3)A(2, 3), B(4,−3)B(4, -3), 点 PP 在线段 ABAB 的延长线上, 且 ∣AP→∣=32∣PB→∣|\overrightarrow{AP}| = \frac{3}{2} |\overrightarrow{PB}|, 求点 PP 的坐标.

先算 AB→=(4−2, −3−3)=(2,−6)\overrightarrow{AB} = (4 - 2,\ -3 - 3) = (2, -6),它不是零向量。

PP 在线段 ABAB 的延长线上,即在 BB 之外的那一侧,故可设

AP→=λ AB→,λ>1.\overrightarrow{AP} = \lambda\,\overrightarrow{AB}, \qquad \lambda > 1 .

(λ>1\lambda > 1 就是”过了 BB 还往前”;这一条是题设”延长线”给的,必须写出来,否则下面取绝对值时会多出一个假解。)

于是

PB→=AB→−AP→=(1−λ)AB→,∣PB→∣=∣1−λ∣⋅∣AB→∣=(λ−1)∣AB→∣,\overrightarrow{PB} = \overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AP} = (1 - \lambda)\overrightarrow{AB}, \qquad |\overrightarrow{PB}| = |1 - \lambda|\cdot|\overrightarrow{AB}| = (\lambda - 1)|\overrightarrow{AB}| ,

最后一步用到 λ>1\lambda > 1。又 ∣AP→∣=λ∣AB→∣|\overrightarrow{AP}| = \lambda|\overrightarrow{AB}|,代入条件:

λ∣AB→∣=32(λ−1)∣AB→∣.\lambda|\overrightarrow{AB}| = \frac{3}{2}(\lambda - 1)|\overrightarrow{AB}| .

∣AB→∣≠0|\overrightarrow{AB}| \neq 0,两边约掉:

λ=32λ−32 ⟹ 12λ=32 ⟹ λ=3,\lambda = \frac{3}{2}\lambda - \frac{3}{2} \ \Longrightarrow\ \frac{1}{2}\lambda = \frac{3}{2} \ \Longrightarrow\ \lambda = 3 ,

满足 λ>1\lambda > 1,可用。于是

AP→=3(2,−6)=(6,−18),P(2+6, 3+(−18))=P(8,−15).\overrightarrow{AP} = 3(2, -6) = (6, -18), \qquad P(2 + 6,\ 3 + (-18)) = P(8, -15).

回代验一遍:AP→=(6,−18)\overrightarrow{AP} = (6, -18),∣AP→∣=36+324=360=610|\overrightarrow{AP}| = \sqrt{36 + 324} = \sqrt{360} = 6\sqrt{10}; PB→=(4−8, −3+15)=(−4,12)\overrightarrow{PB} = (4 - 8,\ -3 + 15) = (-4, 12),∣PB→∣=16+144=160=410|\overrightarrow{PB}| = \sqrt{16 + 144} = \sqrt{160} = 4\sqrt{10}。 32×410=610=∣AP→∣\dfrac32 \times 4\sqrt{10} = 6\sqrt{10} = |\overrightarrow{AP}|,条件成立;且 λ=3>1\lambda = 3 > 1,PP 确在延长线上。

这道题的关键动作:把”在延长线上”翻译成 λ>1\lambda > 1。 若漏掉这个范围,从 ∣AP→∣=32∣PB→∣|\overrightarrow{AP}| = \frac32|\overrightarrow{PB}| 只能得到 λ=32∣1−λ∣\lambda = \frac32|1-\lambda|, 还会解出 λ=35\lambda = \dfrac35(对应线段内部的点,不合题意)。

习题 6.3(第 44 页)复习巩固 第 14 题

  1. 求证:以 A(1,0)A(1,0),B(5,−2)B(5, -2),C(8,4)C(8, 4),D(4,6)D(4, 6) 为顶点的四边形是一个矩形.

证明分两步:先证是平行四边形,再证有一个直角。

第一步:平行四边形。 算一组对边对应的向量:

AB→=(5−1, −2−0)=(4,−2),DC→=(8−4, 4−6)=(4,−2).\overrightarrow{AB} = (5 - 1,\ -2 - 0) = (4, -2), \qquad \overrightarrow{DC} = (8 - 4,\ 4 - 6) = (4, -2).

两者相等,所以 ABAB 与 DCDC 平行且相等。还要排除四点共线(否则”四边形”不成立):

AD→=(4−1, 6−0)=(3,6),4×6−3×(−2)=24+6=30≠0,\overrightarrow{AD} = (4 - 1,\ 6 - 0) = (3, 6), \qquad 4 \times 6 - 3 \times (-2) = 24 + 6 = 30 \neq 0 ,

故 AB→\overrightarrow{AB} 与 AD→\overrightarrow{AD} 不共线,四点不共线。于是四边形 ABCDABCD 是平行四边形。

第二步:直角。 计算相邻两边的数量积:

AB→⋅AD→=4×3+(−2)×6=12−12=0,\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AD} = 4 \times 3 + (-2) \times 6 = 12 - 12 = 0 ,

且两者都非零,所以 AB→⊥AD→\overrightarrow{AB} \perp \overrightarrow{AD},即 ∠DAB=90∘\angle DAB = 90^\circ。

有一个内角为直角的平行四边形是矩形,故四边形 ABCDABCD 是矩形。证毕。

再核一遍边长(不是必需,但便宜):∣AB∣=16+4=25|AB| = \sqrt{16 + 4} = 2\sqrt5,∣AD∣=9+36=35|AD| = \sqrt{9 + 36} = 3\sqrt5, 两组对边分别为 252\sqrt5 与 353\sqrt5,邻边不等,所以它是矩形而不是正方形。 对角线也可以验:∣AC∣=49+16=65|AC| = \sqrt{49 + 16} = \sqrt{65},∣BD∣=1+64=65|BD| = \sqrt{1 + 64} = \sqrt{65},两条对角线相等,与矩形相符。

这道题的关键动作:矩形 = 平行四边形 + 一个直角,两步各用一条判据(向量相等 / 数量积为零), 缺一步都不算证完。

习题 6.3(第 44 页)拓广探索 第 15 题

  1. 如图,设 OxOx,OyOy 是平面内相交成 60∘60^{\circ} 角的两条数轴,e1e_1,e2e_2 分别是与 xx 轴、yy 轴正方向同向的单位向量。若向量 OP→=xe1+ye2\overrightarrow{OP} = xe_1 + ye_2,则把有序数对 (x,y)(x, y) 叫做向量 OP→\overrightarrow{OP} 在坐标系 OxyOxy 中的坐标。设 OP→=3e1+2e2\overrightarrow{OP} = 3e_1 + 2e_2,(1)计算 ∣OP→∣|\overrightarrow{OP}| 的大小;(2)根据平面向量基本定理判断,本题中对向量坐标的规定是否合理。

注意这里的基底不是正交的:e1e_1 与 e2e_2 的夹角是 60∘60^\circ,不是 90∘90^\circ, 所以 e1⋅e2≠0e_1 \cdot e_2 \neq 0,“坐标平方和开方”那条公式在这里不成立,必须回到数量积的定义式去算。

先记下两条已知:∣e1∣=∣e2∣=1|e_1| = |e_2| = 1(都是单位向量),且

e1⋅e2=∣e1∣∣e2∣cos⁡60∘=1×1×12=12.e_1 \cdot e_2 = |e_1||e_2|\cos 60^\circ = 1 \times 1 \times \frac{1}{2} = \frac{1}{2}.

(1) 用 ∣OP→∣2=OP→⋅OP→|\overrightarrow{OP}|^2 = \overrightarrow{OP}\cdot\overrightarrow{OP} 展开:

∣OP→∣2=(3e1+2e2)⋅(3e1+2e2)=9 ∣e1∣2+12 e1⋅e2+4 ∣e2∣2=9+12×12+4=19.|\overrightarrow{OP}|^2 = (3e_1 + 2e_2)\cdot(3e_1 + 2e_2) = 9\,|e_1|^2 + 12\,e_1\cdot e_2 + 4\,|e_2|^2 = 9 + 12 \times \frac{1}{2} + 4 = 19 .

模非负,所以

∣OP→∣=19.|\overrightarrow{OP}| = \sqrt{19} .

(顺带看一眼这条规定的”代价”:若误按直角坐标那条公式算,会得到 32+22=13\sqrt{3^2+2^2} = \sqrt{13}, 比真值小——差的正是交叉项 2xy (e1⋅e2)=2×3×2×12=62xy\,(e_1\cdot e_2) = 2 \times 3 \times 2 \times \frac12 = 6。 本题 x=3x = 3、y=2y = 2 同号,且 e1⋅e2>0e_1\cdot e_2 > 0,故这一项为正、把模拉大; 若 xx 与 yy 异号,这一项就是负的,模反而比 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 小。)

(2)合理。 理由:OxOx 与 OyOy 相交成 60∘60^\circ 角,故 e1e_1 与 e2e_2 是两个不共线的非零向量, 按平面向量基本定理,{e1,e2}\{e_1, e_2\} 构成这个平面的一组基底——平面内任一向量 OP→\overrightarrow{OP} 都能表示成 xe1+ye2x e_1 + y e_2 的形式,而且这样的实数对 (x,y)(x, y) 是唯一的。

“存在”保证了每个向量都有坐标,“唯一”保证了同一个向量不会得到两组不同的坐标。 向量与有序实数对之间因此是一一对应的,把 (x,y)(x, y) 称作 OP→\overrightarrow{OP} 的坐标是合理的。

唯一性再说一句:若 x1e1+y1e2=x2e1+y2e2x_1e_1 + y_1e_2 = x_2e_1 + y_2e_2,移项得 (x1−x2)e1=−(y1−y2)e2(x_1-x_2)e_1 = -(y_1-y_2)e_2。 若 x1≠x2x_1 \neq x_2,则 e1e_1 与 e2e_2 共线,与两轴成 60∘60^\circ 角矛盾;故 x1=x2x_1 = x_2,进而 y1=y2y_1 = y_2。

这道题的关键动作:基底不正交时,一切都回到 a⋅a=∣a∣2a\cdot a = |a|^2 与数量积的定义; “坐标”这个说法之所以站得住,靠的是平面向量基本定理里的存在且唯一。

习题 6.3(第 44 页)拓广探索 第 16 题

  1. 用向量方法证明:对于任意的 a,b,c,d∈Ra, b, c, d \in \mathbb{R},恒有不等式 (ac+bd)2⩽(a2+b2)(c2+d2)(ac + bd)^2 \leqslant (a^2 + b^2)(c^2 + d^2)。

证明。 在平面直角坐标系中取两个向量

m=(a,b),n=(c,d).m = (a, b), \qquad n = (c, d).

按数量积的坐标表示与模的坐标表示,

m⋅n=ac+bd,∣m∣2=a2+b2,∣n∣2=c2+d2.m \cdot n = ac + bd, \qquad |m|^2 = a^2 + b^2, \qquad |n|^2 = c^2 + d^2 .

于是待证的不等式就是

(m⋅n)2⩽∣m∣2 ∣n∣2.(m\cdot n)^2 \leqslant |m|^2\,|n|^2 .

情形一:m=0m = \mathbf{0} 或 n=0n = \mathbf{0}。 此时 m⋅n=0m \cdot n = 0,且 ∣m∣2∣n∣2=0|m|^2|n|^2 = 0, 两边都是 00,不等式取等号,成立。(这一情形必须单列:零向量与别的向量的夹角没有定义, 下面那条 cos⁡θ\cos\theta 的式子在这里用不上。)

情形二:m≠0m \neq \mathbf{0} 且 n≠0n \neq \mathbf{0}。 设它们的夹角为 θ\theta,θ∈[0∘,180∘]\theta \in [0^\circ, 180^\circ], 由数量积的定义

m⋅n=∣m∣ ∣n∣cos⁡θ.m \cdot n = |m|\,|n|\cos\theta .

两边平方,并用 cos⁡2θ⩽1\cos^2\theta \leqslant 1:

(m⋅n)2=∣m∣2∣n∣2cos⁡2θ⩽∣m∣2∣n∣2.(m\cdot n)^2 = |m|^2|n|^2\cos^2\theta \leqslant |m|^2|n|^2 .

两种情形都成立,故对任意实数 aa、bb、cc、dd 恒有

(ac+bd)2⩽(a2+b2)(c2+d2).(ac + bd)^2 \leqslant (a^2 + b^2)(c^2 + d^2).

证毕。

等号什么时候成立:情形二中取等当且仅当 cos⁡2θ=1\cos^2\theta = 1,即 θ=0∘\theta = 0^\circ 或 180∘180^\circ, 也就是 mm 与 nn 共线;加上情形一(有一个是零向量,也算共线), 结论是 ad=bcad = bc 时取等——把 m∥nm \parallel n 的坐标判据 ad−cb=0ad - cb = 0 写出来即得。

这道题的关键动作:把两组实数各自装成一个向量,代数不等式随即变成"∣cos⁡θ∣⩽1|\cos\theta| \leqslant 1"这句几何常识。 零向量那一支要单独交代,因为夹角在那里没有定义。

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6.3.5 平面向量数量积的坐标表示

探究

已知 a=(x1,y1)\boldsymbol{a}=(x_{1},y_{1}) , b=(x2,y2)\boldsymbol{b}=(x_{2},y_{2}) ,怎样用 a 与 b 的坐标表示 a⋅ba\cdot b 呢?

因为 a=x1i+y1j,b=x2i+y2j,a = x_{1}i + y_{1}j, b = x_{2}i + y_{2}j,

a⋅b=(x1i+y1j)⋅(x2i+y2j)=x1x2i2+x1y2i⋅j+y1x2j⋅i+y1y2j2\boldsymbol {a} \cdot \boldsymbol {b} = \left(x _ {1} \boldsymbol {i} + y _ {1} \boldsymbol {j}\right) \cdot \left(x _ {2} \boldsymbol {i} + y _ {2} \boldsymbol {j}\right) = x _ {1} x _ {2} \boldsymbol {i} ^ {2} + x _ {1} y _ {2} \boldsymbol {i} \cdot \boldsymbol {j} + y _ {1} x _ {2} \boldsymbol {j} \cdot \boldsymbol {i} + y _ {1} y _ {2} \boldsymbol {j} ^ {2}

又 i⋅i=1,j⋅j=1,i⋅j=j⋅i=0,i \cdot i = 1, j \cdot j = 1, i \cdot j = j \cdot i = 0,

所以 a⋅b=x1x2+y1y2.a \cdot b = x_{1}x_{2} + y_{1}y_{2}.

这就是说,两个向量的数量积等于它们对应坐标的乘积的和.

由此可得

(1) 若 a=(x,y)\boldsymbol{a}=(x,y) ,则 ∣a∣2=x2+y2\left|\boldsymbol{a}\right|^{2}=x^{2}+y^{2} ,或 ∣a∣=x2+y2\left|\boldsymbol{a}\right|=\sqrt{x^{2}+y^{2}} .

如果表示向量 aa 的有向线段的起点和终点的坐标分别为 (x1,y1)(x_{1},y_{1}) , (x2,y2)(x_{2},y_{2}) ,那么

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

∣a∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2.\mid \boldsymbol {a} \mid = \sqrt {(x _ {2} - x _ {1}) ^ {2} + (y _ {2} - y _ {1}) ^ {2}}.

(2) 设 a=(x1,y1)\boldsymbol{a}=(x_{1}, y_{1}) , b=(x2,y2)\boldsymbol{b}=(x_{2}, y_{2}) , 则

a⊥b⇔x1x2+y1y2=0.\boldsymbol {a} \perp \boldsymbol {b} \Leftrightarrow x _ {1} x _ {2} + y _ {1} y _ {2} = 0.

例 10 若点 A(1,2)A(1, 2) , B(2,3)B(2, 3) , C(−2,5)C(-2, 5) ,则 △ABC\triangle ABC 是什么形状?证明你的猜想.

解:如图6.3-19,在平面直角坐标系中画出点 AA , BB , CC ,我们发现 △ABC\triangle ABC 是直角三角形.证明如下.

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

AC→=(−2−1,5−2)=(−3,3),\overrightarrow {A C} = (- 2 - 1, 5 - 2) = (- 3, 3),

图 6.3-19

所以 AB→⋅AC→=1×(−3)+1×3=0.\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 1 \times (-3) + 1 \times 3 = 0.

于是 AB→⊥AC→.\overrightarrow{AB} \perp \overrightarrow{AC}.

因此, △ABC\triangle ABC 是直角三角形.

设 a,ba, b 都是非零向量,a=(x1,y1)a = (x_1, y_1),b=(x2,y2)b = (x_2, y_2),θ\theta 是 aa 与 bb 的夹角,根据向量数量积的定义及坐标表示可得

cos⁡θ=a⋅b∣a∣∣b∣=x1x2+y1y2x12+y12x22+y22.\cos \theta = \frac {\boldsymbol {a} \cdot \boldsymbol {b}}{| \boldsymbol {a} | | \boldsymbol {b} |} = \frac {x _ {1} x _ {2} + y _ {1} y _ {2}}{\sqrt {x _ {1} ^ {2} + y _ {1} ^ {2}} \sqrt {x _ {2} ^ {2} + y _ {2} ^ {2}}}.

例 11 设 a=(5,−7)a=(5,-7) , b=(−6,−4)b=(-6,-4) ,求 a⋅ba \cdot b 及 a,b 的夹角 θ\theta (精确到 1∘1^{\circ} ).

a⋅b=5×(−6)+(−7)×(−4)=−30+28=−2.\begin{array}{r l} \boldsymbol {a} \cdot \boldsymbol {b} & = 5 \times (- 6) + (- 7) \times (- 4) \\ & = - 3 0 + 2 8 \\ & = - 2. \end{array}

因为 ∣a∣=52+(−7)2=74|a| = \sqrt{5^2 + (-7)^2} = \sqrt{74},∣b∣=(−6)2+(−4)2=52|b| = \sqrt{(-6)^2 + (-4)^2} = \sqrt{52},所以用计算器计算可得

cos⁡θ=a⋅b∣a∣∣b∣=−274×52≈−0.03.\cos \theta = \frac {\boldsymbol {a} \cdot \boldsymbol {b}}{| \boldsymbol {a} | | \boldsymbol {b} |} = \frac {- 2}{\sqrt {7 4} \times \sqrt {5 2}} \approx - 0. 0 3.

利用计算工具可得 θ≈92∘\theta\approx92^{\circ} .

例 12 用向量方法证明两角差的余弦公式

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β.\cos (\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta.

证明:如图 6.3-20,在平面直角坐标系 Oxy 内作单位圆 O,以 x 轴的非负半轴为始边作角 α\alpha , β\beta ,它们的终边与单位圆 O 的交点分别为 A,B.则

OA→=(cos⁡α,sin⁡α),OB→=(cos⁡β,sin⁡β).\overrightarrow {O A} = (\cos \alpha , \sin \alpha), \overrightarrow {O B} = (\cos \beta , \sin \beta).

(1)

(2)图6.3-20

由向量数量积的坐标表示,有

OA→⋅OB→=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β.\overrightarrow {O A} \cdot \overrightarrow {O B} = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta.

设 OA→\overrightarrow{OA} 与 OB→\overrightarrow{OB} 的夹角为 θ\theta ,则

OA→⋅OB→=∣OA→∣⋅∣OB→∣cos⁡θ=cos⁡θ.\overrightarrow {O A} \cdot \overrightarrow {O B} = | \overrightarrow {O A} | \cdot | \overrightarrow {O B} | \cos \theta = \cos \theta .

所以

cos⁡θ=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β.\cos \theta = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta.

另一方面,由图6.3-20(1)可知,α=2kπ+β+θ\alpha = 2k\pi + \beta + \theta;由图6.3-20(2)可知,α=2kπ+β−θ\alpha = 2k\pi + \beta - \theta。于是 α−β=2kπ±θ\alpha - \beta = 2k\pi \pm \theta,k∈Zk \in \mathbf{Z}。所以

cos⁡(α−β)=cos⁡θ.\cos (\alpha - \beta) = \cos \theta.

于是

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β.\cos (\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta.

运用向量工具进行探索,过程多么简洁啊!

练习

  1. 已知 a=(−3,4)a = (-3, 4), b=(5,2)b = (5, 2), 求 ∣a∣|a|, ∣b∣|b|, a⋅ba \cdot b.

  2. 已知 a=(2,3)a = (2, 3), b=(−2,4)b = (-2, 4), c=(−1,−2)c = (-1, -2). 求 a⋅ba \cdot b, (a+b)⋅(a−b)(a + b) \cdot (a - b), a⋅(b+c)a \cdot (b + c), (a+b)2(a + b)^2.

  3. 已知 a=(3,2)a = (3, 2), b=(5,−7)b = (5, -7), 利用计算工具, 求 aa 与 bb 的夹角 θ\theta (精确到 1∘1^{\circ}).

习题6.3

复习巩固

  1. 如图,在 △ABC\triangle ABC 中,AD=13ABAD = \frac{1}{3} AB,点 EE 是 CDCD 的中点。设 AB→=a\overrightarrow{AB} = a,AC→=b\overrightarrow{AC} = b,用 aa,bb 表示 CD→\overrightarrow{CD},AE→\overrightarrow{AE}。

  2. 已知作用在坐标原点的三个力分别为 F1=(3,4)F_{1} = (3, 4),F2=(2,−5)F_{2} = (2, -5),F3=(3,1)F_{3} = (3, 1),求作用在原点的合力 F1+F2+F3F_{1} + F_{2} + F_{3} 的坐标.

  1. 在下列各小题中,已知向量 a 的坐标,以及表示 a 的有向线段 AB→\overrightarrow{AB} 的起点 A 的坐标,求终点 B 的坐标: (1) a=(−2,1)a=(-2,1) , A(0,0)A(0,0) ; (2) a=(1,3)a=(1,3) , A(−1,5)A(-1,5) ; (3) a=(−2,−5)a=(-2, -5) , A(3,7)A(3, 7) .

(第1题)

  1. 已知 □ABCD\square ABCD 的顶点 A(−1,−2)A(-1, -2), B(3,−1)B(3, -1), C(5,6)C(5, 6), 求顶点 DD 的坐标.

  2. 已知点 O(0,0)O(0, 0), A(1,2)A(1, 2), B(−1,3)B(-1, 3), 且 OA′→=2OA→\overrightarrow{OA'} = 2\overrightarrow{OA}, OB′→=3OB→\overrightarrow{OB'} = 3\overrightarrow{OB}, 求点 A′A', B′B' 及向量 A′B′→\overrightarrow{A'B'} 的坐标.

  3. 已知点 A(1,1)A(1, 1), B(−1,5)B(-1, 5), 且 AC→=12AB→\overrightarrow{AC} = \frac{1}{2}\overrightarrow{AB}, AD→=2AB→\overrightarrow{AD} = 2\overrightarrow{AB}, AE→=−12AB→\overrightarrow{AE} = -\frac{1}{2}\overrightarrow{AB}, 求点 C,D,EC, D, E 的坐标.

  4. 你认为下列各组点具有什么样的位置关系?证明你的猜想. (1) A(1,2)A(1, 2) , B(−3,−4)B(-3, -4) , C(2,3.5)C(2, 3.5) ; (2) P(−1,2)P(-1, 2) , Q(0.5,0)Q(0.5, 0) , R(5,−6)R(5, -6) ; (3) E(9,1)E(9, 1) , F(1,−3)F(1, -3) , G(8,0.5)G(8, 0.5) .

  5. 分别在平面直角坐标系中作出下列各组点,猜想以 A, B, C 为顶点的三角形的形状,然后给出证明: (1) A(−1,−4)A(-1, -4) , B(5,2)B(5, 2) , C(3,4)C(3, 4) ; (2) A(−2,−3)A(-2, -3) , B(19,4)B(19, 4) , C(−1,−6)C(-1, -6) ; (3) A(2,5)A(2, 5) , B(5,2)B(5, 2) , C(10,7)C(10, 7) .

  6. 已知 ∣a∣=3|a| = 3, b=(1,2)b = (1, 2), 且 a∥ba \parallel b, 求 aa 的坐标.

  7. 已知 a=(4,2)a = (4, 2),求与 aa 垂直的单位向量的坐标.

  1. 如图,在平行四边形 ABCD 中,点 E 是 AB 的中点,点 F,G 分别是 AD,BC 的三等分点 (AF=13AD,BG=13BC)(AF=\frac{1}{3}AD, BG=\frac{1}{3}BC) . 设 AB→=a,AD→=b\overrightarrow{AB}=a, \overrightarrow{AD}=b , (1) 用 a, b 表示 EF→\overrightarrow{EF} , EG→\overrightarrow{EG} . (2) 如果 ∣b∣=32∣a∣\left|b\right|=\frac{3}{2}\left|a\right| ,EF,EG 有什么位置关系?用向量方法证明你的结论.

(第11题)

  1. 已知点 O(0,0)O(0, 0), A(1,2)A(1, 2), B(4,5)B(4, 5), OP→=OA→+tAB→\overrightarrow{OP} = \overrightarrow{OA} + t \overrightarrow{AB}. 当 t=1t = 1, 12\frac{1}{2}, −2-2, 22 时, 分别求点 PP 的坐标.

  2. 已知 A(2,3)A(2, 3), B(4,−3)B(4, -3), 点 PP 在线段 ABAB 的延长线上, 且 ∣AP→∣=32∣PB→∣|\overrightarrow{AP}| = \frac{3}{2} |\overrightarrow{PB}|, 求点 PP 的坐标.

  3. 求证:以 A(1,0)A(1,0),B(5,−2)B(5, -2),C(8,4)C(8, 4),D(4,6)D(4, 6) 为顶点的四边形是一个矩形.

拓广探索

  1. 如图,设 OxOx,OyOy 是平面内相交成 60∘60^{\circ} 角的两条数轴,e1e_1,e2e_2 分别是与 xx 轴、yy 轴正方向同向的单位向量。若向量 OP→=xe1+ye2\overrightarrow{OP} = xe_1 + ye_2,则把有序数对 (x,y)(x, y) 叫做向量 OP→\overrightarrow{OP} 在坐标系 OxyOxy 中的坐标。设 OP→=3e1+2e2\overrightarrow{OP} = 3e_1 + 2e_2,(1)计算 ∣OP→∣|\overrightarrow{OP}| 的大小;(2)根据平面向量基本定理判断,本题中对向量坐标的规定是否合理。
  2. 用向量方法证明:对于任意的 a,b,c,d∈Ra, b, c, d \in \mathbb{R},恒有不等式 (ac+bd)2⩽(a2+b2)(c2+d2)(ac + bd)^2 \leqslant (a^2 + b^2)(c^2 + d^2)。

(第 15 题)