当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第一章 空间解析几何与向量代数 > 第二节 空间向量及其运算 > 向量的数量积
同学 你好
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《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大微积分老师 宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲 我们来学习向量的数量积
前面我们学习了向量的加法
减法和数乘等运算
向量的加法和减法都是二元的向量运算
而数的运算则是关于一个向量
和一个实数的二元运算
那么向量还有没有其它形式的运算
这些运算从哪些具体实例中抽象出来的
这些运算具有什么样的性质
这就是本讲的中心任务
物体在力的作用下
沿直线运动
求力对物体所做的功
中学物理从特殊情形出发
逐步定义力的做功
首先假设力与运动位移平行
则力所做的功等于力的大小
乘以位移的大小
那么对于一般情形
力与运动位移不平行
如何定义和计算力所的做功
设力与位移的夹角为θ
那么
力F沿位移PQ所做的功
等于力F的大小乘以位移的大小
再乘以它们夹角θ的余弦值
这样
由两个向量力F和位移PQ
计算得出一个标量功W
由此可以抽象出向量的数量积概念
从恒力沿直线做功的计算公式
可以抽象出向量的数量积
对于两个向量u和v
设它们的夹角为θ
那么它们的数量积
u·v=|u||v|cosθ
向量的数量积运算
又称为向量的点乘
这是一种乘法运算
那么 问题来了
为什么称数量积运算是一种乘法运算
我们来看一看数量积具有哪些运算律
从数量积的几何定义和计算表达式
可以发现
数量积运算满足交换律
对两个向量u与v
以及一个实数m
从数量积的几何定义
和计算表达式可以发现
在数乘与向量的数量积之间
可以任意的加括号
对于三个向量u v w
数量积运算对加法运算具有分配律
正是这个分配律
使得我们一般将数量积运算视为一种乘法运算
那么如何从力的做功的物理意义理解
数量积对加法的分配律
如何从数学上验证数量积对加法的分配律
为验证数量积对加法的分配律
先考虑特殊情形
三个向量u v w共面
并且假设向量u为单位向量
如图 作出u·v u·w
以及u·(v+w)
由平面几何可知
u·(v+w)=u·v+u·w
放宽条件
假设向量u是一般的非零向量
未必是单位向量
如何将这个一般情形
转化为上面的特殊情形
再利用上面的结论
验证分配律
还有
对于u v w不共面的情形
如何验证数量积对加法的分配律
同学 动脑想一想
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上面
关于数量积的定义和运算律的验证
都没有依赖于坐标系
但是为了方便 快捷地计算出数量积的值
我们可以引入适当的坐标系
对于平面情形
引进平面直角坐标系
向量u和v的数量积
就等于u与v的对应坐标乘积之和
这就是平面向量数量积的代数定义
对于空间情形
可以引进空间直角坐标系
同学你猜一猜
此时如何定义向量的数量积
对
就是向量u和v的对应坐标乘积之和
由此可以看出
建立直角坐标系之后
数量积的计算
就约化为向量相应坐标之间的运算
也就是实数的运算
这就是数量积代数定义的优势所在
当然利用数量积的代数定义
也可以验证数量积运算律
例如
交换律 结合律 分配律
以及其它性质
利用数量积的几何和代数定义
可以推导出数量积的一些性质
例如 非负性
对称性 线性性
从数量积的几何和代数定义
可以推出数量积满足
非负性 对称性和线性性
结合对称性和线性性
可以推出数量积对第一个向量
也是线性的
因此
向量的数量积满足双线性性
那么 反过来
满足这三条性质的二元的向量运算
是不是就可以称为向量的数量积
从数量积的几何和代数定义
可以推出数量积满足
非负性 对称性和线性性
反过来 利用这三条性质
可以推出数量积的公理化定义
即把满足非负性 对称性
和线性性的这三条性质的二元向量运算
就称为向量的数量积
有时又称为内积
怎么样 这个定义够抽象的吧
当然 它是从前面比较具体的
几何和代数定义中抽象出来的
这里可以看出来
数学的抽象来源于具体和直观
数学抽象体现的是更为本质的特性
因而应用范围才能更加广泛
对于平面情形 引进平面直角坐标系
利用数量积的几何定义
或者作为规定
i·i=j·j=1
i·j=j·i=0
前一个等式表示i和j都是单位向量
而后一个等式表示i和j相互垂直
那么
向量u和v的数量积等于多少
利用数量积的线性性
将乘积u·v展开
得到四项的和
再利用上面关于i和j数量积得到的规定
原式可以简化为对应坐标乘积之和
这就是数量积的代数定义
那么对于空间情形呢
考虑问题的思想与平面情形是一致的
只是计算的项数多了
这里只要先有有限个坐标轴上
单位向量间的数量积的值
就可以推导出
任意两个向量的数量积的计算公式
这可是一本万利的事哦
在数量积的几何定义中
是先有向量的模长和夹角
再定义数量积的
利用数量积的代数定义中
可以计算向量的模长
也就是向量的模长计算约化为
向量的坐标的一些计算
那么如何利用
数量积的公理化定义
给出向量模长和夹角的公理化定义
向量的模长就定义为
|u|=(u·u)再开根号
首先
这个定义有意义吗
由数量积的非负性可知
它是定义好的
其次
它可以作为向量的模长的定义吗
|u|=(u·u)再开根号
可以作为向量模长的定义吗
我们来看看它是否满足
向量模长的三个典型性质
非负性和正提性应该是简单的
那么三角不等式呢
同学 动脑想一想
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这样把满足
上述三条性质的一元向量运算
就称为向量的模长
有时又称为向量的范数
如何从向量的数量积的公理化定义
推导出两个向量u和v的夹角的公理化定义
从数量积的几何定义
可以解出cosθ
也就是说
如果可以计算出向量u
和v的数量积和各自的模长
就可以计算出它们夹角的余弦值
进而就可以确定夹角的值了
因此利用数量积的
和模长的公理化定义
就可以得到向量夹角的公理化定义
这里 还有一个问题
就是首先得证明不等式
|u·v|≤|u||v|成立
这就是前面所说的柯西不等式
同学 动脑想一想
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还有一个问题
感觉向量夹角的公理化定义
依赖于数量积的几何定义
其实上面只是从数量积的几何定义
去猜测cosθ的定义式
也可以从其他途径去得到cosθ的定义式
例如应用余弦定理
和向量模长的公理化定义
分别计算出u-v的模平方
再对比两式
可以得到cosθ的表达式
本讲
我们从恒力沿直线做功
抽象出向量数量积
并推导出了数量积所满足的运算律
在建立直角坐标系之后
得到了数量积的计算公式和进一步的性质
利用这些本质性的性质
给出了数量积的公理化定义
进一步地给出了
向量模长和夹角的公理化定义
在这里我们要体会
数学概念的抽象过程
主动学习前人从具体到抽象的思考过程
利用向量的数量积
可以简化许多问题的思考与计算
有关向量数量积的应用
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结