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在中学数学中为什么要引入向量? | 2008-3-28 9:17:00

有人说,中学数学中引入向量,用向量来处理几何问题,是因为用向量比用综合几何的方法简单、容易。这种看法是不全面的。虽然有许多问题,用向量处理确实比用综合几何方法简单,但也可以找到用综合几何的方法处理更简单的问题。

向量之所以被引入到中学,这是因为向量在数学中占有重要的地位。向量作为一个既有方向又有大小的量,在数学中是一个最基本的概念。在现代数学的发展中起着不可替代的作用。是代数、几何、泛函分析等基础学科研究的基本内容。

向量是代数的对象。运算及其规律是代数学的基本研究对象。向量可以进行多种运算,如,向量的加法、减法,数与向量的乘法(数乘),向量与向量的数量积(也称点乘),向量与向量的向量积(也称叉乘)等。向量的这些运算包含了三种不同类型的代数运算。向量的运算具有一系列丰富的运算性质。与数运算相比,向量运算扩充了运算的对象和运算的性质。

向量是几何的对象。向量可以用来表示空间中的点、线、面。如果,以坐标系的原点为起点,向量就与空间中的点建立了一一对应关系;一点和一个非零向量可以唯一确定一条直线,它通过这个点且与给定向量平行;同样,一个点和一个非零向量,可以唯一确定一个平面,它过这个点且与给定向量垂直。在高维空间中,这种表示十分有用,还可以表示曲线,曲面。因此,向量可以描述、刻画和替代几何中的基本研究对象——点、线、面,它也是几何研究的对象。向量是几何研究对象,这种认识很重要。在立体几何中,可用向量来讨论空间中点、线、面之间的位置关系;判断线线、线面、面面的平行与垂直,用向量来度量几何体:计算长度、角度、面积等。随着数学视野不断拓展,这样的观念会给我们越来越多的用处。

向量是沟通代数与几何的一座天然桥梁。它不需要什么过渡。在数学中,我们有两座沟通代数与几何的桥梁,一是向量,一是坐标系。坐标系依赖于原点的选择。向量的优越性在于可以不依赖于原点,空间中每一点的地位是平等的,它不依赖坐标,因此,它比坐标系更一般、更重要。一方面,通过向量的运算可以解决几何中的问题。比如,两直线是否垂直的问题,就可以转化为两个向量的点积是否为零的问题,这就实现了利用代数方法来解决几何问题。另一方面,对于代数问题,通过向量可以给予几何的解释。比如,两个向量的点积为零,那么就说明这两个向量所表示的直线是相互垂直的等等。

向量具有丰富的物理背景。向量是连接数学和物理的一个桥梁。 物理学研究的基本量之一是矢量。物理学中的矢量既有大小和方向,又有作用点。如力、位移、速度、加速度、动量、电场强度等都是物理学中研究的矢量,这些量贯穿于物理学的许多分支。矢量是现实存在的,在日常生活中可以观察、感受到的。物理中的矢量是数学中的向量的现实原型,为数学中的向量提供了丰富的物理背景。物理中的矢量与向量的差别只在于,矢量不但有大小和方向,而且还要考虑作用点;而向量和作用点无关。

向量是重要的数学模型。如果,用V表示向量的集合,则V对于向量的加法(+)运算满足结合律、交换律、有零元(存在零向量),有负元(每个向量都有与其方向相反、长度相等的向量),因此,V对于向量的加法运算构成交换群,即(V+)是交换群。V中向量的加法、实数域R中的实数与向量的乘法(数乘.)运算满足线性空间的8条基本性质,因此,VR对于对向量加法、数与向量乘法运算构成线性空间,即(V,R,+,.)是线性空间(向量空间)。V中向量的数量积运算可以刻画向量的长度,给V中的向量赋以长度(向量 的长度用║ ║表示)后,VR对于向量的加法、实数与向量的乘法(数乘.)运算构成线性赋范空间,即 (V R+.,║║)是一个线性赋范空间。群、线性空间、线性赋范空间都是重要的数学模型,也是抽象代数、线性代数、泛函分析的重要研究对象。因此,向量为理解抽象代数、线性代数、泛函分析提供了基本的数学模型。

向量有着广泛的应用。向量不仅在物理中有着大量的应用,而且高维向量被广泛地用来描述多指标的对象,从而在各个领域,包括社会科学,都有着广泛的应用。

向量简单易懂。向量被引入中学还因为它适合中学生的认知水平。向量的概念有着清楚的物理背景,学生很容易懂;向量的运算并不复杂,学生掌握起来没有困难。学习向量非常有助于培养学生的数学能力和应用数学解决实际问题的能力。

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