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v1 · padrão canônico

第26课 — 平面向量

平面向量作为有序对:模、方向、方向感。加法、标量乘法、点积、向量间夹角和正交投影。

Used in: 1.º ano do EM (15–16 anos) · Equiv. Math I japonês §A — Vetores · Equiv. Klasse 11 alemã — Vektoren

v=(v1,v2),v=v12+v22,u+v=(u1+v1,u2+v2)\vec{v} = (v_1, v_2), \quad |\vec{v}| = \sqrt{v_1^2 + v_2^2}, \quad \vec{u} + \vec{v} = (u_1+v_1, u_2+v_2)
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

ℝ²中的向量

运算

  • 加法u+v=(u1+v1,u2+v2)\vec u + \vec v = (u_1 + v_1, u_2 + v_2)
  • 数乘αv=(αv1,αv2)\alpha \vec v = (\alpha v_1, \alpha v_2)
  • 减法uv=(u1v1,u2v2)\vec u - \vec v = (u_1 - v_1, u_2 - v_2)

模(范数)

v=v12+v22|\vec v| = \sqrt{v_1^2 + v_2^2}

单位向量

v^=v/v\hat v = \vec v / |\vec v| 模为1。单位向量

标准基向量

ı^=(1,0)\hat\imath = (1, 0)ȷ^=(0,1)\hat\jmath = (0, 1)。每个向量:v=v1ı^+v2ȷ^\vec v = v_1 \hat\imath + v_2 \hat\jmath

极坐标形式

v=(vcosθ,vsinθ)\vec v = (|\vec v|\cos\theta, |\vec v|\sin\theta),其中 θ\theta 是与 xx 正轴的夹角。

性质(向量空间的8条公理)

性质表达式
交换律u+v=v+u\vec u + \vec v = \vec v + \vec u
结合律(u+v)+w=u+(v+w)(\vec u + \vec v) + \vec w = \vec u + (\vec v + \vec w)
单位元v+0=v\vec v + \vec 0 = \vec v
相反元v+(v)=0\vec v + (-\vec v) = \vec 0
分配律(标量/向量)α(u+v)=αu+αv\alpha(\vec u + \vec v) = \alpha\vec u + \alpha\vec v
分配律(向量/标量)(α+β)v=αv+βv(\alpha + \beta)\vec v = \alpha\vec v + \beta\vec v
兼容性α(βv)=(αβ)v\alpha(\beta\vec v) = (\alpha\beta)\vec v
标量单位元1v=v1 \cdot \vec v = \vec v

这8条性质刻画了向量空间——在线性代数(第12学期)中正式介绍。

平行四边形法则

u+v\vec u + \vec v 是由 u\vec uv\vec v 形成的平行四边形的对角线。

Exercise list

35 exercises · 8 with worked solution (25%)

Application 20Understanding 1Modeling 12Challenge 1Proof 1
  1. Ex. 26.1Application
    计算 (3,4)+(1,2)(3, 4) + (1, 2)。(答:(4,6)(4, 6)。)
  2. Ex. 26.2Application
    计算 2(3,1)2 \cdot (3, -1)。(答:(6,2)(6, -2)。)
  3. Ex. 26.3Application
    计算 (5,7)(2,3)(5, 7) - (2, 3)
  4. Ex. 26.4ApplicationAnswer key
    (3,4)(3, 4) 的模。(答:5。)
  5. Ex. 26.5Application
    (5,12)(5, -12) 的模。(答:13。)
  6. Ex. 26.6Application
    沿 (6,8)(6, 8) 方向的单位向量。(答:(3/5,4/5)(3/5, 4/5)。)
  7. Ex. 26.7ApplicationAnswer key
    u=(1,2)\vec u = (1, 2)v=(3,1)\vec v = (3, -1):计算 u+v\vec u + \vec v2uv2\vec u - \vec vu+v|\vec u + \vec v|
  8. Ex. 26.8Application
    证明 (3,4)(3, 4)(3,4)(-3, -4) 互为相反向量。
  9. Ex. 26.9Application
    v=(5,5)\vec v = (5, 5) 在标准基 (ı^,ȷ^)(\hat\imath, \hat\jmath) 中分解。
  10. Ex. 26.10Application
    (3,4)(3, 4) 模相同但方向相反的向量。
  11. Ex. 26.11ApplicationAnswer key
    沿 (3,4)(3, 4) 方向模为10的向量。(答:(6,8)(6, 8)。)
  12. Ex. 26.12Application
    v\vec v 使 v+(2,1)=(5,7)\vec v + (2, -1) = (5, 7)
  13. Ex. 26.13Application
    证明 αv=αv|\alpha \vec v| = |\alpha| |\vec v|αR\alpha \in \mathbb{R}
  14. Ex. 26.14Application
    A=(1,2)A = (1, 2)B=(5,8)B = (5, 8) 的向量是 AB\vec{AB}。计算。(答:(4,6)(4, 6)。)
  15. Ex. 26.15Application
    三角形 A=(0,0)A = (0,0)B=(4,0)B = (4,0)C=(2,3)C = (2, 3)。计算 AB\vec{AB}BC\vec{BC}CA\vec{CA} 并证明它们和为零。
  16. Ex. 26.16Application
    yy 正轴方向的单位向量:ȷ^=(0,1)\hat\jmath = (0, 1)
  17. Ex. 26.17Application
    u=(4,3)\vec u = (4, 3),求一个模相同的垂直向量。(答:(3,4)(-3, 4)(3,4)(3, -4)。)
  18. Ex. 26.18Application
    kk 取何值时 (k,3)=5|(k, 3)| = 5?(答:k=±4k = \pm 4。)
  19. Ex. 26.19Application
    α,β\alpha, \beta 使 α(1,0)+β(0,1)=(3,7)\alpha(1, 0) + \beta(0, 1) = (3, 7)
  20. Ex. 26.20Application
    线性组合 w=2u3v\vec w = 2\vec u - 3\vec v,其中 u=(1,2)\vec u = (1,2)v=(1,1)\vec v = (-1, 1)
  21. Ex. 26.21Modeling
    在力学中,力 F1=(3,4)\vec F_1 = (3, 4) N 和 F2=(1,2)\vec F_2 = (-1, 2) N 作用于物体。合力?(答:(2,6)(2, 6) N。)
  22. Ex. 26.22Modeling
    河流中水流 c=(3,0)\vec c = (3, 0) km/h,船的发动机 m=(0,4)\vec m = (0, 4) km/h。合速度。轨迹是否偏离河岸?
  23. Ex. 26.23Modeling
    飞机以500 km/h沿 060°060° NE 方向飞行,从东方有80 km/h的风。合速度(模和角度)。
  24. Ex. 26.24ModelingAnswer key
    飞机在2阵连续风下的轨迹:第1段 v1=(200,100)\vec v_1 = (200, 100),第2段 v2=(300,50)\vec v_2 = (300, -50)。每段时间:1小时。终点位置?
  25. Ex. 26.25Modeling
    在网络数据包路由中,跳数向量是 (lat, long, lat, long, ...)——建模3次连续跳跃。
  26. Ex. 26.26ModelingAnswer key
    在游戏中,玩家在 (10,20)(10, 20) 以速度 (5,3)(5, -3) 每秒移动。4秒后的位置?(答:(30,8)(30, 8)。)
  27. Ex. 26.27Modeling
    ML 中的嵌入:"king" (0.3,0.5,0.2,...)\approx (0.3, 0.5, 0.2, ...),"queen" (0.3,0.6,0.1,...)\approx (0.3, 0.6, 0.1, ...)。向量距离即语义接近度。
  28. Ex. 26.28Modeling
    在 GPS 中,你的位置是3D向量。运动是速度向量。加速度计报告的瞬时加速度:向量。
  29. Ex. 26.29ModelingAnswer key
    在静力学中,3根缆绳以力 F1=(5,0)\vec F_1 = (5, 0)F2=(3,4)\vec F_2 = (-3, 4)F3=(?,?)\vec F_3 = (?, ?) 拉点 PP。为平衡,F3=?\vec F_3 = ?。(答:(2,4)(-2, -4)。)
  30. Ex. 26.30ModelingAnswer key
    在 2D 机器人中,2段机械臂。第1段沿 u1=(cos30°,sin30°)50\vec u_1 = (\cos 30°, \sin 30°) \cdot 50 cm 方向。第2段沿 u2\vec u_2 方向。终点位置 u1+u2\vec u_1 + \vec u_2
  31. Ex. 26.31Modeling
    无人机有4个推力 F1,F2,F3,F4\vec F_1, \vec F_2, \vec F_3, \vec F_4 的电机。要悬停,合力必须抵消重力 G=(0,mg)\vec G = (0, -mg)
  32. Ex. 26.32Modeling
    在量化金融中,投资组合收益是资产收益 a,b\vec a, \vec b 的线性组合 r=w1a+w2b\vec r = w_1 \vec a + w_2 \vec b,权重为 w1,w2w_1, w_2
  33. Ex. 26.33Understanding
    证明若 u+v=0\vec u + \vec v = \vec 0,则 v=u\vec v = -\vec u
  34. Ex. 26.34Challenge
    向量 v\vec v 模为10,与 xx 正轴成 60°60° 角。分量?(答:(5,53)(5, 5\sqrt 3)。)
  35. Ex. 26.35ProofAnswer key
    通过展开 u+v2|\vec u + \vec v|^2 证明三角不等式 u+vu+v|\vec u + \vec v| \leq |\vec u| + |\vec v|

参考来源

Updated on 2026-04-30 · Author(s): Clube da Matemática

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