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第 1 章 矢量代数与矢量微积分
§1.1 矢量代数
本章并不是要介绍我们所需要的所有数学方法,而是根据学生在初学阶段的需要主要
介绍矢量代数及其相关的运算规则。旨在为更好的理解物理学描述物体运动的方式和物理思
想奠定基础。另一方面,物理学发展到现在的信息时代,我们认为仅仅掌握普通的数学方法
是不够的,无论从掌握基本物理概念,还是从探究式学习的角度,我们认为引入计算机教学
是非常必要的。这里,我们把计算机算法作为数学方法的一种补充。但是计算机的方法很多,
我们这里只介绍 Matlab 算法在物理学中的应用。由于该程序非常普及易学,我们只是抛砖
引玉式地作一简单介绍,旨在把学生引导到这一探究式学习的道路上来。
§1.1.1 矢量与矢量代数运算
矢量是既有大小也有方向的量。物理学中许多物理量为矢量,比如位移矢量,动量,
角动量,力,电场,磁场,……都是矢量。有些物理量为标量,像温度、热容量、能量、质
量、时间,…….等等,只有大小而没有方向。标量满足一般的代数关系,而矢量的代数关
系是不同于标量的。进一步地,在微分等运算中矢量的表现形式也是与标量很不一样的。因
此,有必要关于矢量运算的各种形式作介绍。
图 1-1 表示的位移矢量 AB 的例子,它只表示物体从A 点运动
到 B 点的位置的变化,但是并不能说明物体是从哪条路径从 A 点到
达 B 点的。所以位移矢量并不包含路径的任何信息。如果物体从某
点 A 到点 B ,然后又从点B 到点 C,那么物体运动从点A 到点 C 的
净位移是矢量 AB 和 BC 的矢量和,如图 1-2。
图 1-1 相同起始位置 A 和
B 不同路径的位移矢量
图 1-2 (a )矢量AC 是矢量 AB 与 BC 的矢量和(b )等价的矢量图
图 1-2 中的矢量和关系可以表示为矢量方程
s a +b 。 (1.1.1)
矢量加减法运算规则
(1)交换律 矢量关系见图 1-3,而数学表达则为
a +b b =+a (1.1.2)
图 1-3 两矢量求和可交换顺序
(2 )结合律 其矢量关系见图 1-4
+ + + + (1.1.3)
(a b ) c = a (b c )
图 1-4 三矢量和的结合律
(3)矢量减法
矢量 定义为其大小等于矢量 但是方向相反,如图 1-5。
−b b
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