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笑问坐标何处来

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请问,世间向量知多少?

――无穷多,可谓茫茫向量大世界.

哇!这么多的向量,数也数不清,要研究它们之间的关系,难道要一个一个地就事论事?

――不,数学就是这样充满智慧.

以平面向量为例,平面向量基本定理回答了这一问题:平面内任一向量,都可以用平面内两个不共线的向量e1,e2表示,α=λ1 e1+λ2 e2,且这种表示是唯一的.在此意义下,平面内的所有向量之间的关系,归根结底都可以转化为两个向量之间的关系.这两个向量,可以作为所有向量的“代言人”,好似向量大家庭的“家长”,所有向量之间的“故事”都由他们而起,这当然是十分美妙的.值得称道的是,基向量的身份并不特殊,只要是两个不共线的向量,都有资格担当此重要角色,都可以当家长,向量大家庭里可是绝对的平等民主啊.

反过来,对平面内任意两个不共线的向量el,e2,让λ1,λ2取遍所有的实数值,集合{λ1 e1+λ2 e2| λ1,λ2∈R}就可以表示m平面内的所有向量,即以向量e1,e2为基础,让其“任意生长”,就可以生长出平面内的所有向量,好像这一组基底,就是所有向量的爸爸妈妈,他们生出了所有的向量(当然也包括他们自身).这太神奇了……名词“基底”也就不难理解了:基底,基础、根底也!

又问,基向量确定后,任意两个向量究竟有何不同?

――有序数对之差别也.

在α=λl e1+λ2 e2中,如果把el,e2分别看成爸爸、妈妈,λ1,λ2可以认为是α分别占爸(el)、妈(e2)“基因”的多少,比如λ1大,e1的基因占的“比重”就大些,否则就小些,如果λ1=O,则说明el的基因为0.从而,在基向量e1,e2确定后,向量α一一对应着有序实数对λ1,λ2.我们姑且叫做n的“基因对”吧,可以记作(λ1,λ2).那么,任何一个向量,其“基因对”总是唯一的,如图1.

也就是说,基向量(比如el,e2)确定后,平面内的任意两个向量,都可以由e1,e2来表示,其表示形式均是e1,e2的线性组合,其二者的不同就是也只是其“基因对”的不同,两个向量是否相等,当且仅当其“基因对”是否相同.这就使我们对这一组有序数对非常感兴趣.甚至,我们只专注于这个有序的实数对,把它等同于平面向量对待.

再问,向量坐标何处来?

――“基因对”是也!

对一个向量而言,有什么样的爸爸妈妈,也就是说选定什么样的基向量,就会有什么样的“基因对”.当基向量确定,向量对应的有序实数对确定.这里,让我们选择特殊的基向量,您觉得什么向量最特殊呢?单位向量;两个单位向量的什么位置关系最特殊呢?垂直.是的,如果选择了这样的一组基向量,一个向量的“基因对”又是什么呢?对照图2,α=4i+2j,你可能不难发现,哦,这不就是平面直角坐标系中的坐标吗?正是!原来如此――坐标就是这样来的.

数学,就是这样,相互联系,协调统一,给人惊喜.

追问,向量的坐标有何意义呢?

――把数形结合进行到底!

在平面直角坐标系中研究向量,使向量的研究更为便利和深刻,向量,本来是数和形的完美结合,是美丽的化身.到了坐标系中,向量有了坐标,把向量的研究引入到了更精细的微观境界,有了更为有力的计算工具.什么长度、方向、夹角、平行、垂直……都可以通过向量的坐标来刻画、来研究,都可以算jm来.几何问题可以算出来,哈哈,这难道不值得兴奋和期待?

为什么用坐标简单呢?这是因为,向量的坐标表示本身就是建立在平面向量基本定理基础之上的,等于已经享用了平面向量基本定理这一成果,先行一步了.

进一步地理解,向量的坐标可以认为是相对于某一组基底的“基因对”.也就是说,只要给定基底,就有向量的线性表示,就有相应的“基因对”,把这“基因对”看成向量的坐标,如此,就有了仿射坐标系,也就有了仿射几何、线性空间、几何变换群……照着这条路走下去,将有更宽更广更精彩的数学新天地……