对应坐标乘积之和从哪里来
取互相垂直、模都为 $1$ 的基底 $\vec{i},\vec{j}$。由数量积的定义,
同一单位方向与自身的数量积为 $1$,两个垂直方向之间的数量积为 $0$。
设 $\vec{a}=(x_1,y_1)$、$\vec{b}=(x_2,y_2)$,先写成基底分解:
用分配律展开,共有四个配对:
两个交叉项因垂直而为零,另外两个基底数量积等于 $1$,所以
结果是一个数。例如,$(1,2)\cdot(2,-1)=1\times2+2\times(-1)=0$。这个简式依赖正交单位基底,不能不加区别地用于任意斜基底。
用坐标求模与距离
令 $\vec{a}=(x,y)$。与自身作数量积,便有 $\vec{a}\cdot\vec{a}=x^2+y^2$。又因为 $\vec{a}\cdot\vec{a}=|\vec{a}|^2$,取非负平方根得到
例如,$(3,4)$ 的模为 $\sqrt{9+16}=5$,这也对应直角三角形的勾股关系。
若 $A(x_1,y_1)$、$B(x_2,y_2)$,先用终点减起点求出 $\overrightarrow{AB}$,再求模:
两点距离就是连接它们的向量的模。例如,$A(1,1)$、$B(4,5)$,两坐标之差为 $3,4$,距离为 $5$。
用坐标判断垂直
两个非零向量垂直,当且仅当数量积为零。因此
前面的 $(1,2)$ 与 $(2,-1)$ 都非零,数量积又为零,所以互相垂直。若有零向量,不能仅凭计算结果为零作这一判断。
这里不要与共线条件混淆:共线用 $x_1y_2-y_1x_2=0$,非零向量垂直用 $x_1x_2+y_1y_2=0$,两者描述不同的关系。
用坐标求夹角
对两个非零向量,把数量积与模的坐标式代入夹角公式,得到
先算分子的数量积,再算分母的两个模,最后由余弦值确定 $0^\circ$ 到 $180^\circ$ 内的夹角。非零条件保证分母不为零。
例如,$\vec{a}=(1,0)$、$\vec{b}=(1,1)$ 的数量积为 $1$,模分别为 $1,\sqrt2$,所以
因此 $\theta=45^\circ$。
核心结论
在平面直角坐标系中,数量积等于对应坐标乘积之和:$\vec{a}\cdot\vec{b}=x_1x_2+y_1y_2$。向量与自身的数量积是模的平方,两点距离就是连接它们的向量的模。
对两个非零向量,数量积为零等价于垂直;数量积除以两个模之积,得到夹角的余弦。