1. 向量的定义
1.1 几何定义
向量(vector)是既有大小又有方向的量,通常用带箭头的线段表示。
- 记为 a、a 或 AB(A 为起点,B 为终点)。
- 向量的模(长度)记为 ∣a∣ 或 ∥a∥。
1.2 代数定义
在数学中,向量通常定义为 n 个有序数构成的数组:
a=(a1,a2,…,an)
或写作列向量:
a=a1a2⋮an
其中 ai 称为向量的分量(component)或坐标。
1.3 向量的表示方式
2. 特殊向量
2.1 零向量
所有分量都为零的向量:
0=(0,0,…,0)
- 零向量的模为 0,方向不确定(或说任意方向)。
- 零向量是向量空间中的加法单位元。
2.2 单位向量
模长为 1 的向量,记为 u^ 或 e。
- 对于任意非零向量 v,其单位化(归一化)为:
v^=∥v∥v
2.3 标准基向量
n 维空间中,第 i 个分量为 1,其余为 0 的向量:
e1=(1,0,0,…,0),e2=(0,1,0,…,0),…,en=(0,0,0,…,1)
在 R3 中通常记作 i,j,k。
3. 向量的线性运算
3.1 向量加法
定义:两个 n 维向量的加法为对应分量相加。
若 a=(a1,a2,…,an),b=(b1,b2,…,bn),则:
a+b=(a1+b1,a2+b2,…,an+bn)
几何意义(平行四边形法则 / 三角形法则):
- 将 b 的起点置于 a 的终点,则 a+b 是从 a 起点到 b 终点的向量。
- 也可将 a 和 b 作为邻边作平行四边形,对角线即为 a+b。
3.2 向量数乘(标量乘法)
定义:向量 a 与标量 k∈R 的数乘为每个分量乘以 k:
ka=(ka1,ka2,…,kan)
几何意义:
- 当 k>0 时,ka 与 a 同向,长度为原来的 k 倍。
- 当 k<0 时,ka 与 a 反向,长度为原来的 ∣k∣ 倍。
- 当 k=0 时,0⋅a=0。
3.3 向量减法
定义:a−b=a+(−b),即:
a−b=(a1−b1,a2−b2,…,an−bn)
几何意义:
- a−b 是从 b 的终点指向 a 的终点的向量(当起点重合时)。
- 也可以看作三角形第三边对应的向量。
4. 线性运算的运算律
设 a,b,c 为同维向量,k,l∈R 为标量,有以下运算律:
这些运算律正是向量空间(vector space)的公理基础。
5. 向量的模(长度 / 范数)
5.1 定义
向量 a=(a1,a2,…,an) 的欧几里得范数(L2 范数)定义为:
∥a∥=a12+a22+⋯+an2
5.2 基本性质
- 非负性:∥a∥≥0,且 ∥a∥=0 当且仅当 a=0。
- 齐次性:∥ka∥=∣k∣⋅∥a∥。
- 三角不等式:∥a+b∥≤∥a∥+∥b∥。
- 柯西-施瓦茨不等式:∣a⋅b∣≤∥a∥⋅∥b∥。
6. 向量的点积(内积 / 数量积)
6.1 定义
两个 n 维向量 a,b 的点积为对应分量乘积之和:
a⋅b=a1b1+a2b2+⋯+anbn=i=1∑naibi
或写作矩阵形式:
a⋅b=a⊤b=(a1a2⋯an)b1b2⋮bn
6.2 几何意义
a⋅b=∥a∥∥b∥cosθ
其中 θ 是 a 与 b 的夹角(0≤θ≤π)。
6.3 点积的性质
- 对称性:a⋅b=b⋅a
- 线性性:(ka+lb)⋅c=k(a⋅c)+l(b⋅c)
- 与模的关系:a⋅a=∥a∥2
- 若 a⋅b=0,则称 a 与 b 正交(垂直)。
7. 向量夹角与正交
由点积公式可得夹角公式:
cosθ=∥a∥∥b∥a⋅b
8. 向量的投影
8.1 标量投影(有向长度)
向量 b 在 a 方向上的标量投影:
compab=∥a∥a⋅b=∥b∥cosθ
8.2 向量投影
向量 b 在 a 方向上的向量投影(投影向量):
projab=∥a∥2a⋅ba=∥a∥2a⋅a⋅∥a∥2b⋅a⋅∥a∥2a
或者可以写成更简洁的形式:
projab=(a⋅aa⋅b)a
8.3 向量分解
任意向量 b 可分解为平行于 a 和垂直于 a 的两个分量:
b=projab+perpab
其中 perpab=b−projab,且与 a 正交。
11. 常见易错点
- 向量加法不能加不同维度的向量(如 R2 和 R3 的向量不能相加)。
- 数乘时标量乘以向量的每一个分量,不能漏乘。
- 点积的结果是标量,不是向量。
- a⋅b=0 不代表 a=0 或 b=0,只能说明它们正交。
- 零向量与任何向量平行(共线),也与任何向量正交。
- 线性相关≠线性无关的判定:包含零向量的向量组必定线性相关;两个向量成比例则线性相关。