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向量的数量积

下一节:数量积的应用

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向量的数量积课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课程

《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

动手画一画

到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧

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

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

动手算一算

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

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

动手算一算

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

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

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-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

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-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

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-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

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-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

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-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

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-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

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-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

--极坐标系下的二重积分

--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

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-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

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--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

--柱坐标系下的三重积分

--球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

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-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

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-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

向量的数量积笔记与讨论

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