加减法:对应坐标相加减
以下都在同一平面直角坐标系中。取沿 $x$ 轴、$y$ 轴正方向、模为 $1$ 的单位向量分别为 $\vec{i}$、$\vec{j}$。向量的两个坐标,就是它在这两个方向上的分解系数。设 $\vec{a}=(x_1,y_1)$、$\vec{b}=(x_2,y_2)$,即
把同一基底方向上的项合并,得到
两个分解系数就是和向量的坐标,所以
减法就是加上相反向量。$-\vec{b}$ 的两个坐标都变号,因此
例如,$(2,-1)+(1,3)=(3,2)$;$(2,-1)-(1,3)=(1,-4)$。水平与水平相加减,竖直与竖直相加减,不交叉计算。
数乘:两个坐标同时乘系数
由数乘分配律,
两个系数都乘了 $\lambda$,所以
例如,$-2(2,-1)=(-4,2)$。负号和倍数同时作用于两个坐标;乘零得到 $(0,0)$。
两点间向量:终点减起点
设 $A(x_1,y_1)$、$B(x_2,y_2)$。由上一章的减法关系,
分别用终点与起点的坐标相减,得到
例如,$A(1,1)$、$B(4,3)$,则 $\overrightarrow{AB}=(3,2)$:从 $A$ 向右移动 $3$、向上移动 $2$ 到达 $B$。顺序反过来,$\overrightarrow{BA}=(-3,-2)$。
共线:检查两个坐标是否成同一倍数
若 $\vec{b}\ne\mathbf0$,共线等价于存在实数 $\lambda$,使 $\vec{a}=\lambda\vec{b}$。用坐标表示,就是同时满足 $x_1=\lambda x_2$、$y_1=\lambda y_2$,从而有
反过来,若上式成立:当 $x_2\ne0$ 时,取 $\lambda=\dfrac{x_1}{x_2}$,可得 $y_1=\lambda y_2$;当 $x_2=0$ 时,$y_2\ne0$,上式迫使 $x_1=0$,取 $\lambda=\dfrac{y_1}{y_2}$ 即可。因此这是共线的坐标条件,不必冒险除以可能为零的坐标。
例如,$(2,4)$ 与 $(1,2)$ 满足 $2\times2-4\times1=0$,所以共线;$(2,4)$ 与 $(1,3)$ 的结果为 $2$,所以不共线。若其中一个是零向量,上式也成立,与零向量和任意向量共线的约定一致。
核心结论
在同一坐标系中,向量加减按对应坐标相加减,数乘让两个坐标同时乘系数;两点间的向量用终点坐标减去起点坐标。
共线可用 $x_1y_2-y_1x_2=0$ 判断,不必计算可能除以零的坐标比值。