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数量积、夹角与投影

基础更新于 2026-09-29

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数量积把方向信息转为实数,可用于判断垂直、计算角与距离。

数量积、夹角与投影

向量及其在指定方向的投影

设 a,b\mathbf a,\mathbf b 是非零向量,将它们平移到同一起点,取两方向之间 [0,π][0,\pi] 内的角 θ\theta 为向量夹角。定义它们的数量积为实数

a⋅b=∣a∣ ∣b∣cos⁡θ.\mathbf a\cdot\mathbf b=|\mathbf a|\,|\mathbf b|\cos\theta.

若有一个向量为零,规定数量积为零。数量积的结果是数,不能当作新的向量;零向量参与数量积有意义,但不能因此给它定义唯一夹角。

在正交单位基底下,若 a=(x1,y1),b=(x2,y2)\mathbf a=(x_1,y_1),\mathbf b=(x_2,y_2),则

a⋅b=x1x2+y1y2.\mathbf a\cdot\mathbf b=x_1x_2+y_1y_2.

由余弦定理(共线时直接比较长度),

∣a−b∣2=∣a∣2+∣b∣2−2a⋅b.|\mathbf a-\mathbf b|^2=|\mathbf a|^2+|\mathbf b|^2-2\mathbf a\cdot\mathbf b.

将三个长度平方用直角坐标表示并展开,便得到上述坐标公式。这个证明先建立坐标公式,再用它验证下面的分配律,避免互相依赖。非正交基底的两个系数不能直接这样相乘相加。

运算规则

a⋅b=b⋅a,(λa)⋅b=λ(a⋅b),\mathbf a\cdot\mathbf b=\mathbf b\cdot\mathbf a,\qquad (\lambda\mathbf a)\cdot\mathbf b=\lambda(\mathbf a\cdot\mathbf b), a⋅(b+c)=a⋅b+a⋅c,a⋅a=∣a∣2.\mathbf a\cdot(\mathbf b+\mathbf c)=\mathbf a\cdot\mathbf b+\mathbf a\cdot\mathbf c,\qquad \mathbf a\cdot\mathbf a=|\mathbf a|^2.

前三式也可用坐标逐项展开验证。对非零向量,数量积为正、零、负分别对应 0≤θ<π/20\le\theta<\pi/2、θ=π/2\theta=\pi/2、π/2<θ≤π\pi/2<\theta\le\pi。求夹角时,

cos⁡θ=a⋅b∣a∣ ∣b∣.\cos\theta=\frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{|\mathbf a|\,|\mathbf b|}.

投影数量与投影向量

沿非零向量 b\mathbf b 指定正方向。a\mathbf a 在这个方向上的投影数量为

∣a∣cos⁡θ=a⋅b∣b∣.|\mathbf a|\cos\theta=\frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{|\mathbf b|}.

它是有符号的实数,反向投影可为负。将它乘以单位方向向量 b/∣b∣\mathbf b/|\mathbf b|,得到投影向量

proj⁡ba=a⋅b∣b∣2b.\operatorname{proj}_{\mathbf b}\mathbf a =\frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{|\mathbf b|^2}\mathbf b.

投影线段的长度是投影数量的绝对值。这三个对象分别是有符号数、向量和非负长度,不应混称。

长度平方与数量积的相互转换

由数量积的分配律,

∣a+b∣2=∣a∣2+2a⋅b+∣b∣2,∣a−b∣2=∣a∣2−2a⋅b+∣b∣2.|\mathbf a+\mathbf b|^2=|\mathbf a|^2+2\mathbf a\cdot\mathbf b+|\mathbf b|^2, \qquad |\mathbf a-\mathbf b|^2=|\mathbf a|^2-2\mathbf a\cdot\mathbf b+|\mathbf b|^2.

所以已知三个长度时,可以反求数量积:

a⋅b=∣a∣2+∣b∣2−∣a−b∣22.\mathbf a\cdot\mathbf b=\frac{|\mathbf a|^2+|\mathbf b|^2-|\mathbf a-\mathbf b|^2}{2}.

两式相加得到平行四边形恒等式:

∣a+b∣2+∣a−b∣2=2(∣a∣2+∣b∣2).|\mathbf a+\mathbf b|^2+|\mathbf a-\mathbf b|^2=2(|\mathbf a|^2+|\mathbf b|^2).

若 a=OA→,b=OB→\mathbf a=\overrightarrow{OA},\mathbf b=\overrightarrow{OB},第一条差的平方公式就是三角形 OABOAB 的余弦定理。反过来,也可先用余弦定理与直角坐标距离公式比较,得到数量积的坐标公式。

数量积与长度不等式

对任意平面向量 a,b\mathbf a,\mathbf b,有

∣a⋅b∣≤∣a∣ ∣b∣.|\mathbf a\cdot\mathbf b|\le|\mathbf a|\,|\mathbf b|.

证明与等号。 两向量非零时,由数量积定义及 ∣cos⁡θ∣≤1|\cos\theta|\le1 得到;等号等价于夹角为 00 或 π\pi,即共线。任一个为零时两边都为零。

代入长度平方展开式,得到

∣∣a∣−∣b∣∣≤∣a+b∣≤∣a∣+∣b∣,\bigl||\mathbf a|-|\mathbf b|\bigr|\le|\mathbf a+\mathbf b|\le|\mathbf a|+|\mathbf b|, ∣∣a∣−∣b∣∣≤∣a−b∣≤∣a∣+∣b∣.\bigl||\mathbf a|-|\mathbf b|\bigr|\le|\mathbf a-\mathbf b|\le|\mathbf a|+|\mathbf b|.

以上各边均非负,因此先比较平方再开平方是等价操作。加号上界取等,当且仅当两非零向量同向或有零向量;加号下界取等,当且仅当两非零向量反向或有零向量。减号的两个等号条件互换。

对任意有限个向量,反复使用两向量的三角不等式得

∣∑i=1nai∣≤∑i=1n∣ai∣.\left|\sum_{i=1}^n\mathbf a_i\right|\le\sum_{i=1}^n|\mathbf a_i|.

等号当且仅当所有非零向量同向,或全为零。要核对必要性,可展开两边的平方:差为 2∑i<j(∣ai∣∣aj∣−ai⋅aj)2\sum_{i<j}(|\mathbf a_i||\mathbf a_j|-\mathbf a_i\cdot\mathbf a_j),每项非负,和为零要求每一对非零向量同向。高维坐标中的对应数量积估计见柯西不等式。

用数量积识别动点圆并保留退化情形

设 A,BA,B 为不同定点,MM 为中点。由 PA→=PM→+MA→\overrightarrow{PA}=\overrightarrow{PM}+\overrightarrow{MA}、PB→=PM→−MA→\overrightarrow{PB}=\overrightarrow{PM}-\overrightarrow{MA},得到

PA→⋅PB→=PM2−AB24.\overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PB}=PM^2-\frac{AB^2}{4}.

所以条件 PA→⋅PB→=c\overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PB}=c 化为 PM2=c+AB2/4PM^2=c+AB^2/4。右端为正时是圆,为零时只有点 MM,为负时无点满足。只有 c=0c=0 时它才是以 ABAB 为直径的圆;若还要求夹角有定义,应排除 P=A,BP=A,B。

例

a=(3,1),b=(1,−3)\mathbf a=(3,1),\mathbf b=(1,-3) 的数量积为零,所以垂直。(3,4)(3,4) 在 (1,0)(1,0) 上的投影长度为 33,投影向量为 (3,0)(3,0),两者类型不同。

例:数量积、投影数量与投影向量

取 a=(3,4)\mathbf a=(3,4)、b=(2,0)\mathbf b=(2,0),则 a⋅b=6\mathbf a\cdot\mathbf b=6,∣a∣=5|\mathbf a|=5,∣b∣=2|\mathbf b|=2,夹角余弦为 3/53/5。

a\mathbf a 在 b\mathbf b 方向上的投影数量为 (a⋅b)/∣b∣=3(\mathbf a\cdot\mathbf b)/|\mathbf b|=3,投影向量为

proj⁡ba=a⋅b∣b∣2b=(3,0).\operatorname{proj}_{\mathbf b}\mathbf a= \frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{|\mathbf b|^2}\mathbf b=(3,0).

这三个结果分别是 66、33、(3,0)(3,0),含义和类型不同。若把投影方向改成 (−2,0)(-2,0),投影数量变为 −3-3,而投影到同一直线上的投影向量仍为 (3,0)(3,0)。

例:非正交基底中不能直接点乘系数

设 ∣e1∣=∣e2∣=1|\mathbf e_1|=|\mathbf e_2|=1,夹角为 60∘60^\circ。令 u=2e1+e2\mathbf u=2\mathbf e_1+\mathbf e_2,v=e1−e2\mathbf v=\mathbf e_1-\mathbf e_2,则

u⋅v=2∣e1∣2−e1⋅e2−∣e2∣2=2−12−1=12.\mathbf u\cdot\mathbf v=2|\mathbf e_1|^2-\mathbf e_1\cdot\mathbf e_2-|\mathbf e_2|^2 =2-\frac12-1=\frac12.

若错误地将系数当成直角坐标,会得到 2×1+1×(−1)=12\times1+1\times(-1)=1。只有正交单位基底才可直接使用坐标乘积求和;一般基底必须保留基向量之间的数量积。

易错点

数量积不是向量,也没有通常的结合律。a⋅b=a⋅c\mathbf a\cdot\mathbf b=\mathbf a\cdot\mathbf c 且 a≠0\mathbf a\ne0 不能推出 b=c\mathbf b=\mathbf c。

关联阅读

先修:向量运算与基底 · 弧度、单位圆与基本三角函数。

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