套路

斜基底的坐标投到另一条的垂线上

基向量不垂直时,「点乘 e1\boldsymbol{e}_1」得到的是两个坐标的混合;要单独抓出 xx,得点乘一个与**另一个**基向量垂直的单位向量,再除以 sin⁡θ\sin\theta。

病灶:正交基底养出来的坏习惯

在正交单位基底里,坐标和投影是同一件事:a=xe1+ye2\boldsymbol{a}=x\boldsymbol{e}_1+y\boldsymbol{e}_2 两边点乘 e1\boldsymbol{e}_1,立刻得 x=a⋅e1x=\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{e}_1。用惯了就会以为「坐标就是投影」。

基向量不垂直时这条断了。设 e1\boldsymbol{e}_1、e2\boldsymbol{e}_2 是夹角为 θ\theta 的单位向量,点乘 e1\boldsymbol{e}_1 给出的是

a⋅e1=x+ycos⁡θ,\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{e}_1=x+y\cos\theta ,

两个坐标搅在一起——想抓 xx 反而多引进一个 yy。这是斜基底下”求某个系数”类问题最常见的第一步失着。

做法:点乘另一条的垂线

要甩掉 yy,就点乘一个把 e2\boldsymbol{e}_2 打成零的向量。记 e2⊥\boldsymbol{e}_2^{\perp} 为与 e2\boldsymbol{e}_2 垂直的单位向量(平面里只有两个,差一个符号):

  1. 两边点乘 e2⊥\boldsymbol{e}_2^{\perp},含 yy 的那一项自动消失:
a⋅e2⊥=x (e1⋅e2⊥)=±xsin⁡θ.\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{e}_2^{\perp}=x\,(\boldsymbol{e}_1\cdot\boldsymbol{e}_2^{\perp})=\pm x\sin\theta .
  1. 于是
∣x∣=∣a⋅e2⊥∣sin⁡θ.|x|=\frac{\bigl|\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{e}_2^{\perp}\bigr|}{\sin\theta}.
  1. 要 xx 与 ∣a∣|\boldsymbol{a}| 的比,直接由 ∣a⋅e2⊥∣⩽∣a∣\bigl|\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{e}_2^{\perp}\bigr|\leqslant|\boldsymbol{a}| 得
∣x∣∣a∣⩽1sin⁡θ,等号  ⟺  a∥e2⊥  ⟺  a⊥e2.\frac{|x|}{|\boldsymbol{a}|}\leqslant\frac{1}{\sin\theta}, \qquad\text{等号}\iff \boldsymbol{a}\parallel\boldsymbol{e}_2^{\perp}\iff \boldsymbol{a}\perp\boldsymbol{e}_2 .

抓 yy 同理,换成点乘 e1⊥\boldsymbol{e}_1^{\perp}。

为什么值得单独记

  • 上界只跟夹角有关,与 a\boldsymbol{a} 是谁无关:1sin⁡θ\dfrac{1}{\sin\theta}。夹角 30∘30^{\circ} 就是 22,夹角 60∘60^{\circ} 就是 23\dfrac{2}{\sqrt3},90∘90^{\circ} 就是 11(退回正交基底,坐标真的不超过模)。
  • 等号条件是几何的:a⊥e2\boldsymbol{a}\perp\boldsymbol{e}_2。这比配方路线给出的 yx=−cos⁡θ⋅(⋯ )\dfrac{y}{x}=-\cos\theta\cdot(\cdots) 那类代数条件好记,也好回头验证。
  • 它解释了”为什么斜基底不好用”:θ→0\theta\to 0 时 1sin⁡θ→+∞\dfrac{1}{\sin\theta}\to+\infty,两个基向量越接近共线,同一个 a\boldsymbol{a} 的坐标越能被放大到任意大。

自检

  • e2⊥\boldsymbol{e}_2^{\perp} 的两个方向别纠结:换方向只翻 xx 的符号,取绝对值时无所谓;但若题目要 xx 本身带符号,就得把方向定下来再算。
  • 基向量不是单位向量时公式要改:一般地 ∣x∣ ∣e1∣sin⁡θ=∣a⋅e2⊥∣|x|\,|\boldsymbol{e}_1|\sin\theta=\bigl|\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{e}_2^{\perp}\bigr|,上界变成 1∣e1∣sin⁡θ\dfrac{1}{|\boldsymbol{e}_1|\sin\theta}。先看清题目给的是不是单位向量。
  • θ\theta 取的是两个基向量的夹角,不是它的补角:sin⁡θ=sin⁡(π−θ)\sin\theta=\sin(\pi-\theta),这一步碰巧不受影响,但写在纸上要说清是哪一个。
  • 空间里的对应版本:抓 {e1,e2,e3}\{\boldsymbol{e}_1,\boldsymbol{e}_2,\boldsymbol{e}_3\} 里的 xx,要点乘 e2\boldsymbol{e}_2、e3\boldsymbol{e}_3 张成的那张平面的单位法向量,再除以 e1\boldsymbol{e}_1 在该法向上的分量。

学它之前先会

共 2 条前置、最深 2 层。

共 1 道题考到本条。