引入

物理中”功 = 力 × 位移”,但力和位移都是向量,两个向量怎么相乘得到一个数?

为什么 和 这两个完全不同的式子会相等?

平面向量有 个分量,空间向量有 个,那 维向量是什么?

正文

定义

向量是既有大小又有方向的量,可以平移。在 维空间中,向量表示为有序数组

两种运算

运算定义结果
加法对应分量相加向量
数乘每个分量乘 向量
点积对应分量乘积之和数

向量空间的定义只要求这两条(加法与数乘)满足若干规则,不要求”箭头”存在。这是 代数 中抽象化的起点。

点积的两种定义

代数定义

对于两个 维向量 和 :

几何定义

其中 为两向量的夹角。

两个定义相等,这不是巧合:

在平面中设 、,由余弦定理

左边展开为 ,与右边比对即得

这就是”代数式”与”几何式”的桥梁。

点积的用途

用途公式说明
求夹角夹角唯一确定
判断垂直最常用的判定
求投影 在 上的投影长
求模模是自身点积的平方根

投影公式是点到直线距离、点到平面距离的统一来源。把向量投影到法向量方向上,取绝对值,就是距离。

点积的性质

性质式子
交换律
分配律
数乘
正定性,等号仅当

点积不满足结合律: 中, 是数,数与向量不能点积,所以这个式子无意义。只有 也不对——括号内是数。点积只能两个向量之间做。

基底与坐标

定义

若向量 线性无关,且空间中任一向量都能表示为它们的线性组合,则称它们为该空间的一组基底。

空间基底个数常用基底
平面
三维空间
维空间

坐标是相对于基底而言的:同一个向量在不同基底下坐标不同,但向量本身不变。这就是 坐标变换 的核心。

从二维到 维

概念二维 维
模
点积
垂直
距离

公式形式完全不变,只是项数增加。这正是抽象的力量:定义一次,推广到任意维。

常见误区

错误说法问题
”点积的结果是向量”是数(标量)
” 与 相等”一般不相等,方向不同
”向量必须有几何箭头”抽象向量只需满足运算规则
”坐标就是向量本身”坐标依赖基底
” 说明有一个是零向量”也可能是垂直

引出

为什么点积的两种定义必然相等?这与余弦定理的关系是什么?

如果去掉”正定性”,会得到什么样的”点积”?

函数之间的”点积”(内积)如何定义?