F · 平面向量的基本性质与运算 · 03

向量的数乘

数乘就是一个实数乘一个向量,结果仍是向量:系数决定它的大小和方向。

模就是向量的大小

向量 $\vec{a}$ 的大小叫作模,记作 $|\vec{a}|$,图中用有向线段的长度表示。

例如,$\vec{a}$ 表示向东移动 $3\ \mathrm m$,那么 $|\vec{a}|=3\ \mathrm m$。向量包含大小和方向,模只表示大小。模总是不小于零,只有零向量的模为零。

绝对值决定模,正负决定方向

实数 $\lambda$ 与向量 $\vec{a}$ 的积记作 $\lambda\vec{a}$,规定

$$ |\lambda\vec{a}|=|\lambda|\,|\vec{a}|. $$

这里 $|\lambda|$ 是实数的绝对值,表示模变为原来的多少倍。对非零向量,乘正数方向不变,乘负数方向相反;乘零得到零向量。零向量乘任何实数仍是零向量。

例如,$2\vec{a}$ 同向、两倍长;$\dfrac12\vec{a}$ 同向、一半长;$-\vec{a}$ 等长反向,就是 $\vec{a}$ 的相反向量。

a原长2a两倍12a一半−a反向、等长
四行都按同一比例绘制,起点用虚线对齐。蓝色的 $2\vec{a}$、$\dfrac12\vec{a}$ 与 $\vec{a}$ 同向,长度分别为两倍、一半;橙色的 $-\vec{a}$ 只改变方向,长度不变。

运算律沿用熟悉的形式

数乘的结合律、分配律与实数运算的形式相同。$\lambda$、$\mu$ 是实数,$\vec{a}$、$\vec{b}$ 是向量:

$$ \lambda(\mu\vec{a})=(\lambda\mu)\vec{a}. $$

连续数乘,把系数相乘。

$$ (\lambda+\mu)\vec{a}=\lambda\vec{a}+\mu\vec{a}. $$

同一向量的倍数相加,可以合并系数,例如 $2\vec{a}+3\vec{a}=5\vec{a}$。

$$ \lambda(\vec{a}+\vec{b})=\lambda\vec{a}+\lambda\vec{b}. $$

数乘可以分配到每个向量,例如 $2(\vec{a}-\vec{b})=2\vec{a}-2\vec{b}$。这里始终是数乘向量,不能把它当成两个向量相乘。

共线就是倍数关系

两个非零向量同向或反向,称为共线向量,也叫平行向量;不要求它们原来画在同一条直线上。约定零向量与任意向量共线。

固定 $\vec{a}\ne\mathbf0$,与它共线的向量都能唯一写成

$$ \vec{b}=\lambda\vec{a}. $$

$\vec{b}$ 非零时,系数的绝对值是模的比值 $\dfrac{|\vec{b}|}{|\vec{a}|}$,同向取正、反向取负;$\vec{b}=\mathbf0$ 时取 $\lambda=0$。例如,反向且两倍长,就是 $\vec{b}=-2\vec{a}$。

核心结论

模是向量的大小。数乘时,系数的绝对值决定模变为原来的多少倍;对非零向量,乘正数同向、乘负数反向,乘零得到零向量。

数乘不会产生新的非共线方向;固定一个非零向量后,与它共线的向量都能唯一写成它的实数倍。