高中数学笔记-7-平面向量

第七课 平面向量

1. 向量基础知识

  1. 定义

    • 向量:既有大小,又有方向的量

    • 数量:只有大小,没有方向的量

    • 零向量:长度为 00 的向量,表示为 0⃗\vec{0},方向任意

    • 单位向量:长度等于 11 个单位的向量,即 ∣a⃗∣=1\vert\vec{a}\vert=1

    • 相等向量:长度相等且方向相同的向量

    • 相反向量:长度相等且方向相反的向量,即 a⃗+b⃗=0⃗\vec{a}+\vec{b}=\vec{0}

    • 平行向量:方向相同或相反的非零向量,零向量与任何向量平行,没有传递性

  2. 向量的表示

    • 几何表示(有向线段)

    • 小写字母(a⃗\vec{a})

    • 坐标(a⃗=(x,y)\vec{a}=(x,y))

2. 向量的运算

  1. 向量加法运算

    • 三角形法则:首尾相连,由首至尾

    • 平行四边形法则:共起点

    • 向量三角不等式:∣∣a⃗∣−∣b⃗∣∣≤∣a⃗±b⃗∣≤∣a⃗∣+∣b⃗∣\vert\vert\vec{a}\vert-\vert\vec{b}\vert\vert\le\vert\vec{a}\pm\vec{b}\vert\le\vert\vec{a}\vert+\vert\vec{b}\vert

  2. 向量减法运算

    • 三角形法则:共起点,连终点,方向指向被减向量

  3. 向量数乘运算

    • 实数 λ\lambda 与向量 a⃗\vec{a} 的积是一个向量,记作 λa⃗\lambda\vec{a}
    • ∣λa⃗∣=∣λ∣∣a⃗∣\vert\lambda\vec{a}\vert=\vert\lambda\vert\vert\vec{a}\vert
    • 当 λ>0\lambda>0 时,λa⃗\lambda\vec{a} 的方向与 a⃗\vec{a} 的方向相同,当 λ<0\lambda<0 时,λa⃗\lambda\vec{a} 的方向与 a⃗\vec{a} 的方向相反,当 λ=0\lambda=0 时,λa⃗=0⃗\lambda\vec{a}=\vec{0}
  4. 向量的数量积和投影

    • a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡θ\vec{a}\cdot\vec{b}=\vert\vec{a}\vert\vert\vec{b}\vert\cos\theta,零向量与任意向量的数量积为 00

    • θ=0°⇔a⃗\theta=0\degree\Leftrightarrow\vec{a} 与 b⃗\vec{b} 同向 ⇔a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣\Leftrightarrow\vec{a}\cdot\vec{b}=\vert\vec{a}\vert\vert\vec{b}\vert

    • θ=180°⇔a⃗\theta=180\degree\Leftrightarrow\vec{a} 与 b⃗\vec{b} 反向 ⇔a⃗⋅b⃗=−∣a⃗∣∣b⃗∣\Leftrightarrow\vec{a}\cdot\vec{b}=-\vert\vec{a}\vert\vert\vec{b}\vert

    • θ\theta 为锐角 ⇔a⃗⋅b⃗>0\Leftrightarrow \vec{a}\cdot\vec{b}>0 且 a⃗\vec{a} 与 b⃗\vec{b} 不共线

    • θ\theta 为钝角 ⇔a⃗⋅b⃗<0\Leftrightarrow \vec{a}\cdot\vec{b}<0 且 a⃗\vec{a} 与 b⃗\vec{b} 不共线

    • 投影:a⃗\vec{a} 在 b⃗\vec{b} 方向上的投影为 ∣a⃗∣cos⁡θ\vert\vec{a}\vert\cos\theta 或 a⃗⋅b⃗∣b⃗∣\dfrac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{\vert\vec{b}\vert},投影是一个数值,可正可负可零

    • 数量积的几何意义:a⃗\vec{a} 的长度与 b⃗\vec{b} 在 a⃗\vec{a} 方向上的投影的乘积

    • 投影向量:a⃗\vec{a} 在 b⃗\vec{b} 方向上的投影向量为∣a⃗∣cos⁡θ⋅b⃗∣b⃗∣\vert\vec{a}\vert\cos\theta\cdot\dfrac{\vec{b}}{\vert\vec{b}\vert} 或 (a⃗⋅b⃗)b⃗b⃗2\dfrac{(\vec{a}\cdot\vec{b})\vec{b}}{\vec{b}^2}

    • 性质:∣a⃗⋅b⃗∣≤∣a⃗∣∣b⃗∣\vert\vec{a}\cdot\vec{b}\vert\le\vert\vec{a}\vert\vert\vec{b}\vert

    • 运算律1:a⃗⋅b⃗=b⃗⋅a⃗\vec{a}\cdot\vec{b}=\vec{b}\cdot\vec{a}

    • 运算律2:(λa⃗)⋅b⃗=λ(a⃗⋅b⃗)=a⃗⋅λb⃗(\lambda\vec{a})\cdot\vec{b}=\lambda(\vec{a}\cdot\vec{b})=\vec{a}\cdot\lambda\vec{b}

    • 运算律3:(a⃗+b⃗)⋅c⃗=a⃗⋅c⃗+b⃗⋅c⃗(\vec{a}+\vec{b})\cdot\vec{c}=\vec{a}\cdot\vec{c}+\vec{b}\cdot\vec{c}

    • 注意:没有分配律!

3. 平面向量和坐标

  1. 向量的坐标

    选定 {i⃗,j⃗}\{\vec{i},\vec{j}\} 为基底(通常是垂直的),令 a⃗=(1,0)\vec{a}=(1,0),b⃗=(0,1)\vec{b}=(0,1)

    若 a⃗=x1i⃗+y1j⃗\vec{a}=x_1\vec{i}+y_1\vec{j},则把有序数对 (x1,y1)(x_1,y_1) 叫做 a⃗\vec{a} 的坐标

  2. 向量的坐标运算

    令 a⃗=(x1,y1)\vec{a}=(x_1,y_1),b⃗=(x2,y2)\vec{b}=(x_2,y_2)

    • a⃗+b⃗=(x1+x2,y1+y2)\vec{a}+\vec{b}=(x_1+x_2,y_1+y_2)
    • a⃗−b⃗=(x1−x2,y1−y2)\vec{a}-\vec{b}=(x_1-x_2,y_1-y_2)
    • λa⃗=(λx1,λx2)\lambda\vec{a}=(\lambda x_1,\lambda x_2)
    • a⃗⋅b⃗=x1x2+y1y2\vec{a}\cdot\vec{b}=x_1x_2+y_1y_2
    • cos⁡<a⃗,b⃗>=a⃗⋅b⃗∣a⃗∣∣b⃗∣=x1x2+y1y2x12+y12x22+y22\cos <\vec{a},\vec{b}>=\dfrac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{\vert\vec{a}\vert\vert\vec{b}\vert}=\dfrac{x_1x_2+y_1y_2}{\sqrt{x_1^2+y_1^2}\sqrt{x_2^2+y_2^2}}
  3. 分点坐标公式

    设点 PP 是线段 P1P2P_1P_2 上的一点,P1(x1,y1)P_1(x_1,y_1),P2=(x2,y2)P_2=(x_2,y_2),当 P1P⃗=λPP2⃗\vec{P_1P}=\lambda\vec{PP_2} 时,点 PP 的坐标为 (x1+λx21+λ,y1+λy21+λ)(\dfrac{x_1+\lambda x_2}{1+\lambda},\dfrac{y_1+\lambda y_2}{1+\lambda})

4. 平面向量有关定理

  1. 向量共线定理

    • 向量 a⃗(a⃗≠0⃗)\vec{a}(\vec{a}\neq\vec{0}),当且仅当存在唯一一个实数 λ\lambda,使得 b⃗=λa⃗\vec{b}=\lambda\vec{a}

    • 推论1:AA、BB、CC 三点共线 ⇔AB⃗\Leftrightarrow \vec{AB}、AC⃗\vec{AC} 共线

    • 推论2:向量 PA⃗\vec{PA}、PB⃗\vec{PB}、PC⃗\vec{PC} 三终点 AA、BB、CC 共线 ⇔\Leftrightarrow 存在实数 α\alpha、β\beta,使得 PA⃗=αPB⃗+αPC⃗\vec{PA}=\alpha\vec{PB}+\alpha\vec{PC},且 α+β=1\alpha+\beta=1

  2. 基底

    • 如果 e1⃗\vec{e_1}、e2⃗\vec{e_2} 是同一平面内的两个不共线的向量,呢么对于这个平面内的任意向量 a⃗\vec{a},有且只有一对实数 λ1\lambda_1、λ2\lambda_2,使得 a⃗=λ1e1⃗+λ2e2⃗\vec{a}=\lambda_1\vec{e_1}+\lambda_2\vec{e_2},其中 e1⃗\vec{e_1}、e2⃗\vec{e_2} 是一组基底

    • 注意:零向量不能作为基底

  3. 极化恒等式

    • a⃗⋅b⃗=14[(a⃗+b⃗)2−(a⃗−b⃗)2]\vec{a}\cdot\vec{b}=\dfrac{1}{4}[(\vec{a}+\vec{b})^2-(\vec{a}-\vec{b})^2]
    • 几何意义:以 a⃗\vec{a} 和 b⃗\vec{b} 为邻边的平行四边形的两条对角线长度的平方差乘以 14\dfrac{1}{4}
    • 使用特点:两向量的和或差的模已知时
  4. 对角线向量公式(斯坦纳公式)

    AB⃗⋅CB⃗=(AD⃗2+CB⃗2)−(AB⃗2+CD⃗2)2\vec{AB}\cdot\vec{CB}=\dfrac{(\vec{AD}^2+\vec{CB}^2)-(\vec{AB}^2+\vec{CD}^2)}{2}

  5. 三角形结论

    A=2B⇔a2=b2+bcA=2B\Leftrightarrow a^2=b^2+bc

5. 平面向量与三角形四心

  1. OO 为 △ABC\triangle ABC 重心 ⇔OA⃗+OB⃗+OC⃗=0⃗\Leftrightarrow\vec{OA}+\vec{OB}+\vec{OC}=\vec{0}

  2. 设 A(x1,y1)A(x_1,y_1),B(x1,y1)B(x_1,y_1),C(x1,y1)C(x_1,y_1),则 △ABC\triangle ABC 的重心坐标为 (x1+x2+x33,y1+y2+y33)(\dfrac{x_1+x_2+x_3}{3},\dfrac{y_1+y_2+y_3}{3})

  3. 面积比与四心结论1(奔驰定理)

    设 OO 是 △ABC\triangle ABC 内任意一点,△OBC\triangle OBC,△OAC\triangle OAC,△OAB\triangle OAB 的面积分别为 S1S_1,S2S_2,S3S_3 则 S1OA⃗+S2OB⃗+S3OC⃗=0⃗S_1\vec{OA}+S_2\vec{OB}+S_3\vec{OC}=\vec{0}

  4. 面积比与四心结论2

    设 OO 是 △ABC\triangle ABC 内任意一点,△OBC\triangle OBC,△OAC\triangle OAC,△OAB\triangle OAB 的面积分别为 S1S_1,S2S_2,S3S_3

    • 当点 OO 与点 AA 在 BCBC 异侧时,则 −S1OA⃗+S2OB⃗+S3OC⃗=0⃗-S_1\vec{OA}+S_2\vec{OB}+S_3\vec{OC}=\vec{0}
    • 当点 OO 与点 BB 在 ACAC 异侧时,则 S1OA⃗−S2OB⃗+S3OC⃗=0⃗S_1\vec{OA}-S_2\vec{OB}+S_3\vec{OC}=\vec{0}
    • 当点 OO 与点 CC 在 ABAB 异侧时,则 S1OA⃗+S2OB⃗−S3OC⃗=0⃗S_1\vec{OA}+S_2\vec{OB}-S_3\vec{OC}=\vec{0}

6. 平面向量的应用

  1. 正弦定理

    如图,取与 AB⃗\vec{AB} 垂直且向上的一个单位向量 n⃗\vec{n}

    AB⃗+BC⃗=AC⃗\vec{AB}+\vec{BC}=\vec{AC}

    (AB⃗+BC⃗)⋅n⃗=AC⃗⋅n⃗(\vec{AB}+\vec{BC})\cdot\vec{n}=\vec{AC}\cdot\vec{n}

    AB⃗⋅n⃗+BC⃗⋅n⃗=AC⃗⋅n⃗\vec{AB}\cdot\vec{n}+\vec{BC}\cdot\vec{n}=\vec{AC}\cdot\vec{n}

    0+a⋅cos⁡(π2−B)=b⋅cos⁡(π2−A)0+a\cdot\cos(\dfrac{\pi}{2}-B)=b\cdot\cos(\dfrac{\pi}{2}-A)

    asin⁡B=bsin⁡Aa\sin B=b\sin A

    asin⁡A=bsin⁡B\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{b}{\sin B}

    同理可证:asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{b}{\sin B}=\dfrac{c}{\sin C}

  2. 余弦定理

    AB⃗+BC⃗=AC⃗\vec{AB}+\vec{BC}=\vec{AC}

    (AB⃗+BC⃗)2=AC⃗2(\vec{AB}+\vec{BC})^2=\vec{AC}^2

    AB⃗2+2AC⃗⋅BC⃗+BC⃗2=AC⃗2\vec{AB}^2+2\vec{AC}\cdot\vec{BC}+\vec{BC}^2=\vec{AC}^2

    c2+2c⋅a⋅cos⁡(π−B)+a2=b2c^2+2c\cdot a\cdot\cos(\pi-B)+a^2=b^2

    a2+c2−2ac⋅cos⁡B=b2a^2+c^2-2ac\cdot\cos B=b^2

    同理可证出另外两组边角

    余弦定理的向量式:AB⃗⋅AC⃗=b2+c2−a22\vec{AB}\cdot\vec{AC}=\dfrac{b^2+c^2-a^2}{2}


高中数学笔记-7-平面向量
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作者
shicj
发布于
2024年12月1日
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