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向量?jì)确e的幾何意義(向量的內積和外積的幾何意義)

自從新課程改革開(kāi)展以來(lái),無(wú)論是教師的教還是學(xué)生的學(xué)都發(fā)生很大變化,這種變化一方面是受教學(xué)新模式的影響,另一方面是受教材內容改變所產(chǎn)生的影響。如高中數學(xué)教材的兩個(gè)顯著(zhù)變化就是向量和導數的引入,這兩塊知識內容引入的目的主要是為研究函數、空間圖形,提供新的手段。

導數是很多人都非常熟悉的知識內容,現已成為高考數學(xué)重要熱門(mén)考點(diǎn),而對于向量方面的認知,很多人只停留在工具性層面上,沒(méi)有充分認識到向量思想的重要性。

向量相關(guān)知識內容的引入,對我們的高中數學(xué)教育起到一定程度的影響現實(shí)意義。如空間向量在解決立體幾何比起傳統的知識和方法更具優(yōu)勢,在數學(xué)學(xué)習中運用空間向量的坐標法來(lái)解決空間中三大角問(wèn)題,我們發(fā)現這種方法比起傳統解決方法更好,可操作性更強,因為只要能建系,有坐標就能解決。

雖然我們認可向量在高中數學(xué)教育中的地位,認識到向量相關(guān)知識內容在數學(xué)教育中有著(zhù)非常重要的地位和教育價(jià)值,但很多人在實(shí)際應用中,對向量相關(guān)的知識結論理解不深,部分學(xué)生僅僅依靠死記硬背來(lái)消化向量知識內容,這與新課改的精神完全背道而馳。

向量的工具性特點(diǎn)在數學(xué)的許多分支中都有體現,尤其在高等數學(xué)與解析幾何中,向量的思想滲透非常廣泛。在高中數學(xué)學(xué)習中,向量作為必修課程的其中一部分內容,可以能很好培養學(xué)生的數學(xué)能力和數學(xué)素養,幫助學(xué)生提高的綜合數學(xué)能力。

何為向量?向量從何而來(lái)?

我們知道在物理學(xué)當中,有大小而沒(méi)有方向的量稱(chēng)之為標量,而把既有方向又有大小的物理量就稱(chēng)為矢量。矢量廣泛地應用于高中物理學(xué)習中,如力學(xué)中的力、速度、加速度、電場(chǎng)強度等等內容學(xué)習之中。其實(shí)物理學(xué)中的矢量就是數學(xué)中的向量,只不過(guò)同一個(gè)量在不同學(xué)科當中兩種不同叫法而已。

在物理學(xué)和工程學(xué)中,幾何向量通常被稱(chēng)為矢量。許多物理量都是矢量,比如一個(gè)物體的位移,球撞向墻而對其施加的力等等。與之相對的是標量,即只有大小而沒(méi)有方向的量。一些與向量有關(guān)的定義亦與物理概念有密切的聯(lián)系,如向量勢對應于物理中的勢能。

在大約公元前350年前,古希臘著(zhù)名學(xué)者亞里士多德就知道了力可以表示成向量,兩個(gè)力的組合作用可用著(zhù)名的平行四邊形法則來(lái)得到。

英國科學(xué)家牛頓是最先使用有向線(xiàn)段來(lái)表示向量,而向量一詞來(lái)自力學(xué)、解析幾何中的有向線(xiàn)段。

我們都知道,在數學(xué)中我們把具有大小和方向的量稱(chēng)之為向量。同時(shí)向量也稱(chēng)為歐幾里得向量、幾何向量、矢量。

向量可以形象化地表示為帶箭頭的線(xiàn)段。其中箭頭代表向量的方向,線(xiàn)段長(cháng)度代表向量的大小。

與向量對應的只有大小,沒(méi)有方向的量叫做數量,在物理學(xué)中我們稱(chēng)之為標量。

向量,最初被應用于物理學(xué),如很多物理量如力、速度、位移以及電場(chǎng)強度、磁感應強度等都是向量。這也體現數學(xué)和物理兩門(mén)重要學(xué)科之間的親密關(guān)系,更體現數學(xué)作為基礎學(xué)科的重要性。

如何來(lái)表示向量?

一般情況下用印刷體記作粗體的字母,如a、b、u、v等等,同時(shí)書(shū)寫(xiě)的時(shí)候在字母頂上加一小箭頭→。

如果給定向量的起點(diǎn)(A)和終點(diǎn)(B),可將向量記作AB,并且要在字母頂上加→。

在空間直角坐標系中,也能把向量以數對形式表示,如在Oxy平面中(2,3)是一向量。

向量相關(guān)的定義有滑動(dòng)向量、固定向量、位置向量、方向向量、相反向量、平行向量、共面向量、法向量等等。一般情況下向量定義為向量空間的元素,我們特別要注意這些抽象意義上的向量不一定以數對表示,大小和方向的概念亦不一定適用。如幾何向量的概念在線(xiàn)性代數中經(jīng)由抽象化,得到更一般的向量概念。

因此,在數學(xué)學(xué)習過(guò)程中,一定要加強基礎知識的學(xué)習和進(jìn)一步理解,這樣你就學(xué)會(huì )根據語(yǔ)境來(lái)區分文中所說(shuō)的"向量"是哪一種概念。

只要我們掌握好相關(guān)知識內容,就可以根據一個(gè)向量空間的基來(lái)設置坐標系,透過(guò)選取恰當的定義,在向量空間上介定范數和內積,這允許我們把抽象意義上的向量類(lèi)比為具體的幾何向量。

看到向量的表示方式,我們很容易想到復數這一數學(xué)知識。其實(shí)向量這一重要知識內容進(jìn)入數學(xué)領(lǐng)域,并取得重要發(fā)展,這要得益于復數相關(guān)知識內容的發(fā)展。

復數前后經(jīng)歷幾百年的時(shí)間才建立完整的知識系統,但在數學(xué)史上,空間的向量結構被數學(xué)家們所認識,經(jīng)歷了相當長(cháng)一段時(shí)間。直到18世紀末期,挪威測量學(xué)家威塞爾首次利用坐標平面上的點(diǎn)來(lái)表示復數a bi,并利用具有幾何意義的復數運算來(lái)定義向量的運算。

人們把坐標平面上的點(diǎn)用向量表示出來(lái),并且把向量的幾何表示用于研究幾何問(wèn)題與三角問(wèn)題。

在復數的發(fā)展過(guò)程中,數學(xué)家們發(fā)現復數的利用有時(shí)候會(huì )受到限制,如有不在同一平面上的力作用于同一物體,則需要尋找所謂三維復數以及相應的運算體系。

在19世紀中期,英國數學(xué)家哈密爾頓發(fā)明了四元數,包括數量部分和向量部分,以代表空間的向量。從此,哈密爾頓為向量代數和向量分析的建立奠定了基礎。

英國數學(xué)家、物理學(xué)家麥克斯韋把四元數的數量部分和向量部分分開(kāi)處理,從而創(chuàng )造了大量的向量分析。

在19世紀80年代,英國的居伯斯和海維塞德于各自獨立完成了三維向量分析的開(kāi)創(chuàng ),以及同四元數的正式分裂。

他們提出,一個(gè)向量不過(guò)是四元數的向量部分,但不獨立于任何四元數。他們引進(jìn)了兩種類(lèi)型的乘法,即數量積和向量積。并把向量代數推廣到變向量的向量微積分。

因此,當數學(xué)界逐步接受復數相關(guān)知識內容,并且用于數學(xué)進(jìn)一步研究,這也直接促進(jìn)數學(xué)家們利用復數來(lái)表示和研究平面中的向量,把空間的性質(zhì)與向量運算聯(lián)系起來(lái),使向量成為具有一套優(yōu)良運算通性的數學(xué)體系。

在高中數學(xué)教育中引入向量相關(guān)知識內容,讓學(xué)生對向量進(jìn)行系統深入的學(xué)習和研究。這樣做的目的不僅僅只是為了學(xué)習向量知識內容,它可以幫助我們的學(xué)生更好去理解物理課上矢量相關(guān)知識。同時(shí),學(xué)生通過(guò)物理學(xué)里面矢量?jì)热莸膶W(xué)習,也能更好幫助他們對向量有進(jìn)一步深入的了解。如在力學(xué)中,對力、速度等的分解和合成,使用的就是向量的加減理論。

因此,我們一定要認真對待向量的學(xué)習,為今后的學(xué)習打下一個(gè)良好的基礎。在平時(shí)的數學(xué)學(xué)習過(guò)程中,我們首先要熟練掌握好向量方法的基礎知識內容,學(xué)會(huì )掌握和運用向量的思想方法,學(xué)會(huì )將各部分的數學(xué)知識、數學(xué)思想方法進(jìn)行合理重組和整合,并借助于向量,運用聯(lián)系的觀(guān)點(diǎn)、運動(dòng)觀(guān)點(diǎn)、審美的觀(guān)點(diǎn)、進(jìn)行縱橫聯(lián)系和廣泛的聯(lián)想。

我們經(jīng)常說(shuō)數學(xué)來(lái)源于生活,同時(shí)又要能服務(wù)于生活,將生活中的問(wèn)題進(jìn)行數學(xué)化,轉化成具體數學(xué)問(wèn)題來(lái)解決,如方程、向量等等。向量相關(guān)知識的實(shí)踐運用,不僅能很好體現其工具性,更充分體現向量在提高學(xué)生的數學(xué)能力方面的教學(xué)價(jià)值。

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