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1、高中数学 2.2 向量的线性运算教材梳理素材 苏教版必修4知识巧学1.向量的加法(1)向量加法的定义 向量是否能进行运算？先看下面几个实例.某人从A到B，再从B按原方向到C，则两次的位移和：.如图2-2-1(1) (1) (2)图2-2-1若上题改为从A到B，再从B按反方向到C，则两次的位移和：.如图2-2-1(2)某车从A到B，再从B改变方向到C，则两次的位移和：.如图2-2-2(1) (1) (2)图2-2-2船速为，水速为，则两速度和：.如图2-2-2(2) 上面四个实例虽然是物理学中求两个已知位移和位移的题目，实质上它们当中却包含着数学中的向量的加法运算. 一般地，已知向量a和b，在平
2、面内任取一点O，作=a，=b,则向量叫做a与b的和，记作a+b.即a+b=.(如图2-2-3)图2-2-3 两个向量的和仍是一个向量. 求两个向量的和的运算叫做向量的加法. 上面根据向量的定义得出的求向量和的方法，称为向量加法的三角形法则. 三角形法则有两个步骤：以表示向量的第一个有向线段的终点作为表示第二个向量的有向线段的起点；第一条有向线段的起点到第二条有向线段的终点的有向线段表示的向量为两个向量的和向量. 向量加法的三角形法则，实质是把这两个向量首尾顺次连接.当两个向量共线时三角形法则仍然适用.深化升华 任何一个向量均可以写成两个任意向量之和，只要注意到这个向量的起点、终点即可，如：,如
3、图2-2-4所示，O点具有任意性.不管平面内的点O选在何处，对于首尾相连的两个和向量，它的方向总是由第一向量的起点指向第二向量的终点.图2-2-4 对于零向量和任一向量a，有a+0=0+a=a，即零向量在向量的加法运算中所起的作用与实数0在实数的加法运算中所起的作用是相似的. 对于相反向量，有a+(-a)=(-a)+a=0，这与实数运算中互为相反数的两个数的和为0也是相似的，但应注意，在此运算中的结果为零向量，而非常数0.学法一得 向量是既有大小又有方向的量，对于首尾相连的几个向量的和，等于以第一个向量的起点为起点，第n个向量的终点为终点的向量. 如果平面内有n个向量，它们依次首尾连接组成一条
4、封闭的折线，那么这n个向量的和是零向量.(2)向量加法的运算律和平行四边形法则 向量的加法同实数的加法相似，满足加法的交换律和结合律.向量加法的交换律：a+b=b+a. 由向量的加法,当两个向量共线时，交换律显然成立.当两个向量不共线时(如图2-2-5)，作平行四边形OABC，使=a，=b，则由平行四边形的性质和相等向量的定义不难得出=a，=b.图2-2-5 则=a+b，=b+a, 所以，a+b=b+a.平行四边形法则 在向量加法交换律的证明过程中，包含了求向量和的另外一种方法平行四边形法则. 对于两个不共线的非零向量a、b分别作出=a、=b，以OA、OC为邻边作平行四边形OABC，则以O为起
5、点的对角线就是向量a与b的和，这种求两个向量和的方法叫做向量加法的平行四边形法则. 平行四边形法则包括三个步骤：1)先把两个已知的不共线向量的起点平移到同一点；2)再以这两个向量为邻边作平行四边形；3)这两邻边所夹的、与两个已知向量有着同一起点的对角线所对应的向量，就是这两个已知向量的和. 平行四边形法则有着它的局限性，当两个向量共线时，平行四边形法则就不适用了，但在处理某些问题时，平行四边形法则有它一定的优越性. 向量加法的三角形法则和平行四边形法则称为向量加法的几何意义，它们建立起了向量和平面几何之间的联系.辨析比较 在几何中向量的加法是用几何作图来定义的.它有两种法则，其中三角形法则比平
6、行四边形法则更具有一般性.像两个向量共线时就只能用三角形法则了.当两个向量不共线时，向量加法的三角形法则和平行四边形法则是一致的.向量加法的结合律：(a+b)+c=a+(b+c)证明：如图2-2-6,使=a,=b,=c,图2-2-6 则(a+b)+c=.a+(b+c)=,(a+b)+c=a+(b+c). 从而，多个向量的加法运算可以按照任意的次序、任意的组合来进行.记忆要诀 向量的加法同实数的加法一样，满足交换律与结合律.可对比于实数加法的运算记忆向量加法的运算.2.向量的减法 在实数的运算中减法是加法的逆运算，同样地，向量的减法是向量加法的逆运算. 一般地，若b+x=a，则向量x就叫a与b的
7、差，记作a-b，求两个向量差的运算，叫做向量的减法.记忆要诀 向量的减法与加法互为逆运算，有关向量的减法可同加法相类比，也可同实数的减法相类比. 向量的减法也满足三角形法则，具体如下(如图2-2-7)：图2-2-7 已知向量a与b不共线，在平面内任取一点O，作=a，=b. 由于，即b+=a， 所以，=a-b. 这就是说，当向量a，b起点相同时，从b的终点指向a的终点的向量就是a-b，即差向量“箭头”指向被减数. 由加法的结合律不难得出：a-b=a+(-b)，且这个结果可由图2-2-8表示出来.图2-8-8 此外，向量的减法也可以用平行四边形法则来表示：如图2-2-9，图中向量=a+b，而向量=
8、a-b.图2-2-9学法一得 一般地，不论两向量共线还是不共线，常选取一个适当的点，通过平移把两向量的起点重合，则由减数向量的终点指向被减数向量的终点的向量，即为所求的差向量.3.向量的数乘(1)向量的数乘 已知非零向量a，作出a+a+a和(-a)+(-a)+(-a). 由向量的加法不难得出：=a+a+a=3a，=(-a)+(-a)+(-a)=-3a. 由图2-2-10可得图2-2-103a与a方向相同且|3a|=3|a|；(2)-3a与a方向相反且|-3a|=3|a|. 一般地，实数与向量a的积是一个向量，记作a，它的长度和方向规定如下：|a|=|a|.0时,a与a方向相同；0时,a与a方向
9、相反；=0时，a=0. 由上可知：当|1时，相当于把a的长度扩大；当|1时，相当于把a的长度缩小；=0时，a仍然是一个向量，这个向量是零向量，即等式a=0两端都是向量，等号才成立.此处容易出现的错误是将实数0与向量0混淆.学法一得 由于向量是既有大小又有方向的量，所以无论研究向量的和、差，还是研究实数与向量的积，对运算的结果都要从模与方向两个方面给予关注.误区警示 实数可以和向量进行乘法运算，其运算结果仍是向量，但不能和向量进行加法和减法运算.例如2+0无意义，它既不是向量也不是实数.(2)向量数乘的运算律 根据向量数乘的定义，可以得出向量数乘满足下列运算律 结合律：(a)=()a; 第一分配
10、律：(+)a=a+a; 第二分配律：(a+b)=a+b. 结合律证明： 如果=0，=0，a=0至少有一个成立，则式成立. 如果0，0，a0,有|(a)|=|a|=|a|,|()a|=|a|=|a|,|(a)|=|()a|. 如果、同号，则式两端向量的方向都与a同向； 如果、异号，则式两端向量的方向都与a反向. 从而(a)=()a. 第一分配律证明： 如果=0，=0，a=0至少有一个成立，则式显然成立. 如果0，0，a0， 当、同号时，则a和a同向，|(+)a|=|+|a|=(|+|)|a|.|a+a|=|a|+|a|=|a|+|a|=(|+|)|a|.、同号,两边向量方向都与a同向,即|(+)
11、a|=|a+a|. 当、异号，当时,两边向量的方向都与a同向；当时,两边向量的方向都与a同向，且|(+)a|=|a+a|.式成立. 第二分配律证明： 如果a=0，b=0中至少有一个成立，或=0，=1,则式显然成立. 当a0,b0且0，1时,如图2-2-11(1),当0且1时,在平面内任取一点O， 作=a,=b,=a,=b. 则=a+b,=a+b. (1) (2)图2-2-11 由作法,知,有OAB=OA1B1,|=|.=.OABOA1B1.=. 因此，O、B、B1在同一直线上，|=|,与方向也相同.(a+b)=a+b.如图2-2-11(2),当0时,可类似证明：(a+b)=a+b.式成立.辨析
12、比较 要清楚实数与向量积和实数与实数积的区别，前者的结果是一个向量，后者的结果是一个实数，并且前者满足两种分配律，而后者只满足一种分配律.(3)向量共线定理 若有向量a(a0)、b，实数，使b=a，则a与b为共线向量. 若a与b共线(a0)且|b|a|=，则当a与b同向时b=a；当a与b反向时b=-a.从而得向量共线定理： 如果有一个实数，使b=a(a0)，那么b与a是共线向量；反之，如果b与a是共线向量,那么，有且只有一个实数，使b=a. 在向量共线定理中向量a0不能忽略，否则定理不成立. 利用向量共线定理有时能很容易地证明几何中的三点共线和两条直线平行的问题，但是向量平行与直线平行是有区别
13、的，直线平行不包括重合的情况，而向量平行则包括了表示向量的有向线段在同一条直线上或重合的情况. 利用向量共线定理证明三点共线的一般步骤是：以三点中任意两点为端点构造两个有一个共同端点的向量a、b；证明两个向量满足向量共线定理，即存在唯一的实数，使b=a或a=b成立；由两条线段有共同的端点得出结论：三点共线.典题热题知识点1 向量的加法例1 如图2-2-12，在正六边形中，若=a,=b，若用向量a、b将、表示出来,则=_，=_，=_.图2-2-12思路解析：设正六边形中心为P， 则=()+=a+b+a,=a+b+a+b. 由对称性：=b+b+a.答案：a+b+a a+b+a+b b+b+a方法归纳 深刻领会平行四边形法则，充分利用平行四边形的“对边平行且相等”的性质，从而将陌生化为熟知，解决问题.例2 已知O是四边形ABCD内一点，若=0，则四边形ABCD是怎样的一个四边形，点O是四边形ABCD的什么点？对于这两个问题，下列结论中正确的是( )A.四边形ABCD是正方形，点O是正方形ABCD的中心B.四边形ABCD是一般四边形，点O是四边形ABCD对角线的交点C.四边形ABCD是
