高中数学必修四知识讲解，巩固练习（复习补习，期末复习资料）：25【基础】向量的坐标表示

【基础】向量的坐标表示
【学习目标】
1.了解平面向量的基本定理及其意义；
2.掌握平面向量的正交分解及其坐标表示；
3.会用坐标表示平面向量的加法、减法与数乘运算；
4.理解用坐标表示的平面向量共线的条件.
【要点梳理】
要点一：平面向量基本定理
1．平面向量基本定理
如果是同一平面内两个不共线的向量，那么对于这个平面内任一向量，有且只有一对实数，使，称为的线性组合.
①其中叫做表示这一平面内所有向量的基底；
②平面内任一向量都可以沿两个不共线向量的方向分解为两个向量的和，并且这种分解是唯一的.
这说明如果且，那么.
③当基底是两个互相垂直的单位向量时，就建立了平面直角坐标系，因此平面向量基本定理实际上是平面向量坐标表示的基础.
要点诠释：
平面向量基本定理的作用：平面向量基本定理是建立向量坐标的基础，它保证了向量与坐标是一一对应的，在应用时，构成两个基底的向量是不共线向量.
2．如何使用平面向量基本定理
平面向量基本定理反映了平面内任意一个向量可以写成任意两个不共线的向量的线性组合．
（1）由平面向量基本定理可知，任一平面直线形图形，都可以表示成某些向量的线性组合，这样在解答几何问题时，就可以先把已知和结论表示为向量的形式，然后通过向量的运算，达到解题的目的．
（2）在解具体问题时，要适当地选取基底，使其他向量能够用基底来表示．选择了不共线的两个向量、 ，平面上的任何一个向量都可以用、 唯一表示为=+，这样几何问题就转化为代数问题，转化为只含有、 的代数运算．
要点二：向量的夹角
已知两个非零向量与，在平面上任取一点O，作，，则叫做与的夹角，记为〈，〉．当向量与不共线时，与的夹角；当向量与共线时，若同向，则；若反向，则，综上可知向量与的夹角．
当向量与的夹角是，就说与垂直，记作．
要点诠释：
（1）向量夹角是指非零向量的夹角，零向量与任何向量不能谈夹角问题．
（2）向量是两向量夹角的特殊情况，可以理解为两向量所在直线互相垂直．
要点三：平面向量的坐标表示
1．正交分解
把一个向量分解为两个互相垂直的向量，叫做把向量正交分解．
要点诠释：
如果基底的两个基向量、互相垂直，则称这个基底为正交基底，在正交基底下分解向量，叫做正交分解，事实上，正交分解是平面向量基本定理的特殊形式．
2．平面向量的坐标表示
如图，在平面直角坐标系内，分别取与轴、轴方向相同的两个单位向量、作为基底，对于平面上的一个向量，由平面向量基本定理可知，有且只有一对实数，使得=x+y.这样，平面内的任一向量都可由唯一确定，我们把有序数对叫做向量的（直角）坐标，记作=，x叫做在x轴上的坐标，y叫做在y轴上的坐标．把=叫做向量的坐标表示．给出了平面向量的直角坐标表示，在平面直角坐标系内，每一个平面向量都可以用一有序数对唯一表示，从而建立了向量与实数的联系，为向量运算数量化、代数化奠定了基础，沟通了数与形的联系．
要点诠释：
（1）由向量的坐标定义知，两向量相等的充要条件是它们的坐标相等，即且，其中．
（2）要把点的坐标与向量坐标区别开来．相等的向量的坐标是相同的，但始点、终点的坐标可以不同．比如，若，，则；若，，则，，显然A、B、C、D四点坐标各不相同．
（3）在直角坐标系中有双重意义，它既可以表示一个固定的点，又可以表示一个向量．
要点四：平面向量的坐标运算
1．平面向量坐标的加法、减法和数乘运算
运 算
坐标语言
加法与减法
记=(x1，y1)，=(x2，y2)
=(x1+x2，y1+y2)，=(x2-x1，y2-y1)
实数与向量的乘积
记=(x，y)，则=(x，y)
2．如何进行平面向量的坐标运算
在进行平面向量的坐标运算时，应先将平面向量用坐标的形式表示出来，再根据向量的直角坐标运算法则进行计算．在求一个向量时，可以首先求出这个向量的起点坐标和终点坐标，再运用终点坐标减去起点坐标得到该向量的坐标．求一个点的坐标，可以转化为求该点相对于坐标原点的位置向量的坐标．但同时注意以下几个问题：
（1）点的坐标和向量的坐标是有区别的，平面向量的坐标与该向量的起点、终点坐标有关，只有起点在原点时，平面向量的坐标与终点的坐标才相等．
（2）进行平面向量坐标运算时，先要分清向量坐标与向量起点、终点的关系．
（3）要注意用坐标求向量的模与用两点间距离公式求有向线段的长度是一样的．
（4）要清楚向量的坐标与表示该向量的有向线段的起点、终点的具体位置无关，只与其相对位置有关．
要点五：平面向量平行(共线)的坐标表示
1．平面向量平行(共线)的坐标表示
设非零向量，则∥(x1，y1)=(x2，y2)，即，或x1y2-x2y1=0.
要点诠释：
若，则∥不能表示成因为分母有可能为0.
2.三点共线的判断方法
判断三点是否共线，先求每两点对应的向量，然后再按两向量共线进行判定，即已知
=(x2-x1，y2-y1)，=(x3-x1，y3-y1)，
若则A，B，C三点共线.
【典型例题】
类型一：平面向量基本定理
例1．如果、是平面内两个不共线的向量，那么下列说法中不正确的是（ ）
①可以表示平面内的所有向量；②对于平面内任一向量，使的实数对有无穷多个；③若向量与共线，则有且只有一个实数，使得；④若实数，使得，则．
A．①② B．②③ C．③④ D．②
【思路点拨】考查平面向量基本定理．
【答案】 B
【解析】由平面向量基本定理可知，①④是正确的．
对于②，由平面向量基本定理可知，一旦一个平面的基底确定，那么任意一个向量在此基底下的实数对是唯一的．
对于③，当向量与均为零向量，即时，满足条件的实数有无数个．故选B．
【总结升华】考查两个向量能否构成基底，主要看两向量是否为非零向量且不共线．此外，一个平面的基底一旦确定，那么平面内任意一个向量都可以由这组基底唯一表示．
例2．如图所示，四边形OADB是以向量，为邻边的平行四边形，C为对角线的交点．又，，试用，表示，．
【解析】 由题意，得，所以，
则，，
．
．
【总结升华】用基底表示平面向量，要充分利用向量加法、减法的三角形法则或平面四边形法则结合实数与向量的积的定义，解题时要注意解题途径的优化与组合．
举一反三：
【变式1】如图，在中，，是中点，线段与交于点，试用基底表示：
（1）；（2）；（3）.
【解析】
（1）
=
=
=
=
（2）=
（3）在中，取
同理：
是的中点
==
类型二：利用平面向量基本定理证明三点共线问题
例3．（2017春 山东枣庄月考）设，是二个不共线向量，知，，．
（1）证明：A、B、D三点共线
（2）若，且B、D、F三点共线，求k的值．
【思路点拨】向量共线的充要条件中要注意当两向量共线时，通常只有非零向量才能表示与之共线的其他向量，要注意待定系数法的运用和方程思想．
【答案】（1）略；（2）=3，k=12．
【解析】（1）证明：
，
∵与有公共点，
∴A、B、D三点共线
（2）解：∵B、D、F三点共线，
∴存在实数，使，
∴，
∴，
又∵，不共线，∴，
解得=3，k=12．
【总结升华】证明三点共线问题，可用向量共线来解决，但应注意向量共线与三点共线的区别与联系，当两向量共线且有公共点时，才能得出三点共线．
举一反三：
【变式1】（2018 山西朔州月考）设是不共线的两个非零向量．
若，求证：A、B、C三点共线．
【证明】∵，
，
∴共线，
∵有公共端点B．
∴A、B、C三点共线．
类型三：平面向量的正交分解
例4．如下图，分别用基底，表示向量、、，并求出它们的坐标．
【解析】 由图可知，∴=（―2，3）．
同理可知=3+4=（3，4）．
=4―4=（4，―5）．
举一反三：
【变式1】已知O是坐标原点，点M在第二象限，，∠xOM=120°，求的坐标．
【解析】设M（x，y），则．
，即，所以．
【总结升华】向量的坐标表示是向量的另一种表示方法，对此要从两个方面加深理解：一是相等向量的坐标相同；二是当向量的起点在原点时，终点坐标即为向量的坐标．
类型四：平面向量的坐标运算
例5．已知，且求M、N及的坐标.
【思路点拨】根据题意可设出点M、N的坐标，然后利用已知的两个关系式，列方程组，求出坐标.
【解析】

设，则
同理可求，因此
【总结升华】向量的坐标是向量的另一种表示形式，它只与起点、终点、相对位置有关，三者中给出任意两个，可求第三个.在求解时，应将向量坐标看做一“整体”，运用方程的思想求解.向量的坐标运算是向量中最常用也是最基本的运算，必须熟练掌握.
举一反三：
【变式1】 已知点以及求点C，D的坐标和的坐标.
【解析】设点C、D的坐标分别为，
由题意得
因为，
所以有和，解得和
所以点C、D的坐标分别是(0，4)，(-2，0)，从而
类型五：平面向量平行的坐标表示
例6．如图所示，在平行四边形ABCD中，A（0，0）、B（3，1）、C（4，3）、D（1，2），M、N分别为DC、AB的中点，求、的坐标，并判断、是否共线．
【解析】 已知A（0，0）、B（3，1）、C（4，3）、D（1，2），又M、N分别为DC、AB的中点，
∴由中点坐标公式可得M（2.5，2.5），N（1.5，0.5），
∴，，
其坐标满足2.5×(―2.5)―2.5×(－2.5)=0，
∴、共线．
【总结升华】求出两向量的坐标，验证x1y2－x2y1=0即可．
举一反三：
【变式1】向量，，，当k为何值时，A、B、C三点共线？
【解析】 ，
．
∵A、B、C三点共线，∴，即(k―4)(12―k)―(k―10)×7=0．
整理，得k2―9k―22=0．解得k1=―2或k2=11．
∴当k=―2或11时，A、B、C三点共线．
【总结升华】以上方法是用了A、B、C三点共线即公共点的两个向量，共线，本题还可以利用A、B、C三点共线或，即得k=―2或11时，A、B、C三点共线．
【变式2】（2017秋 海南期末）已知，，
（1）若k为何值时，与共线．
（2）若，，且A、B、C三点共线，求m的值．
【答案】（1）；（2）
【解析】（1）．
．
∵与共线
∴2(k―2)―(―1)×5=0，
即2k－4+5=0，
得．
（2）∵A、B、C三点共线，
∴．
∴存在实数，使得，
又与不共线，
∴，
解得．
例7．如图，已知点A（4，0），B（4，4），C（2，6），求AC与OB的交点P的坐标．
【解析】方法一：由O、P、B三点共线，可设，
则．
，
由与共线得(4－4)×6－4×(－2)=0，解得，
所以．所以P点坐标为（3，3）．
方法二：设P（x，y），则，
因为，且与共线，所以，即x=y．
又，，且与共线，则得(x－4)×6－y×(－2)=0，解得x=y=3，所以P点坐标为（3，3）．
【总结升华】（1）平面向量的坐标表示，使向量问题完全代数化，将数与形紧密地结合起来，这样很多几何问题的证明，就转化为熟悉的数量运算．
（2）要注意把向量的坐标与点的坐标区别开来，只有当始点在原点时，向量坐标才与终点坐标相等．
举一反三：
【变式1】如图，已知ABCD的三个顶点A、B、C的坐标分别是（―2，1）、（―1，3）、（3，4），试求顶点D的坐标．
【解析】设顶点D的坐标为（x，y）．
∵，．
由，得（1，2）=（3―x，4―y）．
∴，∴．
∴顶点D的坐标为（2，2）．
【巩固练习】
1．设、是同一平面内的两个向量，则有（ ）
A．、一定平行
B．、的模相等
C．对一平面内的任一向量，都有=+（、∈R）
D．若、不共线，则对同一平面内的任一向量，都有=+（、∈R）
2．已知四边形的三个顶点，，且，则顶点的坐标为（ ）
A． B． C．（3，2） D．（1，3）
3.已知向量且.则，的值分别为( )
A. –2，1 B.1，-2 C.2，-1 D.-1，2
4．已知向量，不共线，且，，，则一定共线的是（ ）
A．A，B，D B．A，B，C C．B，C，D D．A，C，D
5．（2017 四川）设向量与向量共线，则实数x=（ ）
A．2 B．3 C．4 D．6
6．在平行四边形ABCD中，AC为一条对角线，若，，则等于（ ）
A．（―2，―4） B．（―3，―5） C．（3，5） D．（2，4）
7．已知向量、不共线，＝k＋ (k∈R)，＝－.如果∥，那么(　　)
A．k＝1且与同向
B．k＝1且与反向
C．k＝－1且与同向
D．k＝－1且与反向
8．设点A（2，3），B（5，4）C（7，10），若，若点在第三象限，则的取值范围是（ ）
A． B． C． D．
9．如图在正方形ABCD中，设，，，则在以，为基底时，可表示为________，在以，为基底时，可表示为________．
10．（2017 东山模拟）在三角形ABC中，点E，F满足，若，则x+y=________．
11.，则点D的坐标是__________.
12．（2017 江苏）已知向量，，若，则m―n的值为________．
13．（2018 河北卢龙县期中）如图，平行四边形ABCD中，E，F分别是BC，DC的中点，G为交点，若，试以为基底表示．

14．（2017秋 贵州遵义期末）已知，．
（1）求；
（2）当k为何值时，与平行，并说明平行时它们是同向还是反向？
15．已知点，线段AB的三等分点（点C靠近A）．
（1）求点C，D的坐标；
（2）若点E相对点B的位置向量为，求点E的坐标．
【答案与解析】
1．【答案】D
【解析】 、是任意向量，A、B、C都不一定成立，只有、不共线，由平面向量基本定理知，D正确．
2．【答案】A
3. 【答案】D
4．【答案】A
【解析】，故A、B、D共线．
5．【答案】B
【解析】因为向量与向量共线，
所以4x=2×6，解得x=3；
故选：B．
6．【答案】B
【解析】设AC与BD交于O点，则，而，
∴．
7．【答案】D
【解析】不妨设＝(1,0)，＝(0,1)．依题意＝－＝(1，－1)，又c＝k＋＝(k,1)，∵∥，∴12－(－1)·k＝0，∴k＝－1，又k＝－1时，＝(－1,1)＝－，∴与反向．
8．【答案】B
9．【答案】+ 2+
【解析】以，为基底时将平移，使B与A重合，再由三角形法则或平面四边形法则即得．
10．【答案】
【解析】在三角形ABC中，点E，F满足，
若，
则；
故答案为：
11.【答案】(7，6)
【解析】，而C(3，0)，设D点的坐标为(x，y)，则
12．【答案】―3．
【解析】向量，，若
可得，解得m=2，n=5，
∴m―n=―3．
故答案为：―3．
13．【答案】，，
【解析】根据图形得：；
，
，
∵和共线，∴存在实数x使；
∴；
又，∴同样；
∴，解得．
14．【解析】（1）∵，，
∴，
∴．
（2）∵，，
又与平行，
∴3(k―2)=―7，∴，
此时，，
∴当时，反向共线．
15．【解析】（1）=
点C坐标为（2，2）．
=（3，0）
点D坐标为（3，0）．
（2）

点E坐标为（12，0）．