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平面向量基本定理与坐标表示

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 11:12的版本 (补充高中数学必修第二册:向量、复数、立体几何、统计与概率;原创图解和推导)
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在平面上,只要选取两个不共线的方向,每个向量都可以而且只能按一种方式写成它们的线性组合。这是平面向量基本定理。日常的“向东几格、向北几格”使用了互相垂直的两个方向;换成两条斜方向也能表示同一位移,只是系数会改变。

两个方向为何足够且唯一

固定非零且不共线的 𝐞1,𝐞2。把待表示向量 𝐯 的起点与它们放到一起,从 𝐯 的终点分别画平行于两个基方向的直线,形成平行四边形。沿两边的有符号倍数给出 𝐯=x𝐞1+y𝐞2. 如果还可写成 x′𝐞1+y′𝐞2,相减得 (x−x′)𝐞1=−(y−y′)𝐞2。若其中一个系数不为零,就会说两个基向量共线,与选取条件冲突;故 x=x′、y=y′。图上的平行线负责构造,非共线性负责唯一性。

两个不共线的斜基向量张成平行四边形,目标向量由沿两条基方向的有符号分量相加得到
两条基方向不必垂直;同一目标向量在不同基下有不同系数。

例如在通常的 xy 坐标中取 𝐞1=(1,0)、𝐞2=(1,1),要表示 𝐯=(2,3),则 x𝐞1+y𝐞2=(x+y,y)。由 y=3、x+y=2 得 x=−1,所以 𝐯=−𝐞1+3𝐞2。负系数表示沿第一方向的反向,并不表示向量“有负长度”。

直角坐标把运算变成逐项计算

取长度为 1 的水平、竖直基向量 𝐢=(1,0)、𝐣=(0,1),它们互相垂直。向量 𝐮=x𝐢+y𝐣 的坐标记作 (x,y)。由线性运算直接得到 (x1,y1)+(x2,y2)=(x1+x2,y1+y2),t(x,y)=(tx,ty). 从点 A=(2,−1) 到 B=(5,3) 的向量是 AB→=B−A=(3,4),长度 32+42=5。把点的坐标直接当成这段位移会忘记减起点。

由于 𝐢⋅𝐢=𝐣⋅𝐣=1、𝐢⋅𝐣=0,展开两线性组合并消去交叉项,便有 (x1,y1)⋅(x2,y2)=x1x2+y1y2. 例如 (3,4)⋅(4,−3)=12−12=0,两个非零向量垂直。若仍用上面的斜基 𝐞1,𝐞2,不能直接把其系数相乘相加当作数量积,因为 𝐞1⋅𝐞2≠0;逐项公式依赖正交单位基。

练习:A=(−1,2)、B=(2,6),求 AB→ 及其长度。逐坐标相减得 (3,4),长度为 5。若从 B 回到 A,向量变为 (−3,−4),长度仍为 5。

参考资料