从共同起点表示向量
在三角形 $ABC$ 中,取 $\vec{a}=\overrightarrow{AB}$、$\vec{b}=\overrightarrow{AC}$。它们不共线,可以作为表示图中其他向量的基底。
例如,从 $B$ 到 $C$ 的向量可以用终点的位置向量减去起点的位置向量:
这样,点之间的连接关系就变成了向量的加减关系。若要说明两条线段平行,就看对应的非零向量是否成倍数;若要说明垂直,就看它们的数量积是否为零。
中点关系推出平行与长度
设 $M,N$ 分别是 $AB,AC$ 的中点。中点把边分成等长的两段,且从 $A$ 出发方向不变,所以
求 $\overrightarrow{MN}$,仍用终点减起点:
提取共同系数,再用 $\overrightarrow{BC}=\vec{b}-\vec{a}$ 替换括号,得到
系数为正,说明两个非零向量同向;系数为 $\dfrac12$,说明前者的模是后者的一半。因此 $MN\parallel BC$,并且 $MN=\dfrac12 BC$:三角形的中位线平行于第三边,且长度是第三边的一半。
等长关系推出垂直
设 $ABCD$ 是菱形,顶点按顺序排列。取 $\vec{a}=\overrightarrow{AB}$、$\vec{b}=\overrightarrow{AD}$;邻边等长,所以 $|\vec{a}|=|\vec{b}|$。
菱形也是平行四边形。由加法与减法,两条对角线可表示为
要说明对角线垂直,就计算这两个向量的数量积。代入并用分配律展开:
由交换律,第一项与最后一项抵消;向量与自身的数量积等于模的平方,因此
最后一步用了菱形邻边等长的条件。两条对角线都非零,数量积为零就说明 $AC\perp BD$,即菱形的两条对角线互相垂直。
核心结论
先选共同起点,把有关向量用同一组基底表示,再根据目标选择运算:倍数关系说明平行与长度比例,数量积为零说明两个非零向量垂直。
计算结束后,要把等式翻译回线段之间的关系;这样才真正回答了原来的几何问题。