第五章向量代数(3)

2019-03-02 22:58

﹙ⅰ﹚ 求向量的模: ;

﹙ⅱ﹚求两向量的夹角:当 时,

﹙ⅲ﹚求一个向量在另一个向量上的投影;

特别地,向量a在直角坐标系中的坐标为

﹙ⅳ﹚向量a和b垂直的充分必要条件是a·b=0,或

以下再举一例说明数量积的应用。设

,已知向量 ,令 ,求 。

求解本题时,首先注意到 ,且 ,即 垂直的单位向量。在等式

两端与 作数量积,即得 类似可得 于是

为两两11

顺便指出,上式称为从坐标系Ⅰ﹙以 为基本单位向量的坐标系﹚到坐标系Ⅱ﹙以 、 、 为基本单位向量的坐标系﹚的坐标变换公式。由于 、 、 是两两垂直的单位向量,因此坐标系Ⅱ也是空间直角坐标系。两个直角坐标系之间的坐标变换通过数量积很容易计算出来。

⑵ 向量积 按定义

其中单位向量 同时垂直于a和b,且a、b、c符合右手规则,在直角坐标系中,a×b的计算公式是

以下列出向量积的几何应用要点:

﹙ⅰ﹚求与两个非共线向量a、b同时垂直的向量s,可取 s=a×b 或 s=﹣a×b

﹙ⅱ﹚求由两个非共线向量a、b所确定的平面的法向量n,可取

n=a×b ﹙ⅲ﹚求以向量a、b为邻边的平行四边形的面积

﹙ⅳ﹚给定不共线的三点A、B、C,则点C到直线AB的距离

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﹙Ⅴ﹚向量a与b 共线的充分必要条件是a×b=0。 ⑶ 混合积

=﹙a×b﹚·c在直角坐标系中, 的计算公式是

混合积的主要几何应用是:

﹙ⅰ﹚向量a、b、c共面的充分必要条件是 =0 ; ﹙ⅱ﹚以a、b、c为棱的平行六面体积 。 ⒊ 已知向量a,b,c,d,从几何上说明:

⑴ 若a,b不平行且a,b,d共面时,则存在 , ,使得

⑵ 若a,b,c不共面,则存在, ,使得

答 ⑴ 由于a,b不平行,故a≠0,b≠0,因此当da 或d b 时,易知结论成立。否则设 =a, =b ,=d过点D分别作 , 的平行线,与直线OB,OA分别交于 , ﹙如图5–4﹚,则

由于 , ,故存在 , ,使得 , , ,从

⑵ 当d与a、b或与b、c或与c、a共面时,由⑴可知结论

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成立,否则设 =a,=b,=c,=d,过点D分别作平面平行平面OAB,OBC,OCA,如图5﹣5得到一个平行六面体,则

由于 , , ,故存在 , ,使得 , , ,从而有

注 本题的结论说明:在分解向量时,并不一定要分解成相互正交的分向量之和,也可分解成两﹙在平面情形﹚或三个﹙在空间情形﹚相互斜交的分向量之和,这是建立斜坐标系的理论依据。

四、例题增补

例1 设﹙a×b﹚·c=2,求﹙a+b﹚×﹙b+c﹚·﹙c+a﹚

解 ﹙a+b﹚×﹙b+c﹚·﹙c+a﹚ =﹙a+b﹚×b·﹙c+a﹚+﹙a+b﹚×c·a

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=﹙a×b﹚·c+﹙b×c﹚·a=﹙a×b﹚·c+﹙a×b﹚·c=4。

例2 设a、b是两个非零向量,且 =1,〈a,b〉= ,求

例3 证明向量c= 是表示向量a与b夹角平分线方向的向量﹙a≠0,b≠0﹚。

证 设 , 分别表示与a,b同方向的单位向量,则

由以 、 为边所构成的平行四边形为菱形,知其对角线平分顶角,于是

这是与a、b夹角平行线平行之向量。 又

其中 ﹥0,故c是表示a与b夹角平分线方向的向量。

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