已知两个非零向量 a⃗\vec{a} 与 b⃗\vec{b} 满足 ∣a⃗∣=∣b⃗∣=∣a⃗−b⃗∣|\vec{a}| = |\vec{b}| = |\vec{a} - \vec{b}|。求向量 a⃗\vec{a} 与 b⃗\vec{b} 的夹角 θ\theta 的大小。

完整解法

1. 将向量模的关系转化为数量积的形式

设 ∣a⃗∣=∣b⃗∣=k|\vec{a}| = |\vec{b}| = k(其中 k>0k > 0)。
对等式 ∣a⃗−b⃗∣=k|\vec{a} - \vec{b}| = k 两边平方得:
∣a⃗−b⃗∣2=k2|\vec{a} - \vec{b}|^2 = k^2
展开左边:
∣a⃗∣2−2a⃗⋅b⃗+∣b⃗∣2=k2|\vec{a}|^2 - 2\vec{a} \cdot \vec{b} + |\vec{b}|^2 = k^2
代入 ∣a⃗∣=∣b⃗∣=k|\vec{a}| = |\vec{b}| = k:
k2−2a⃗⋅b⃗+k2=k2k^2 - 2\vec{a} \cdot \vec{b} + k^2 = k^2
2k2−2a⃗⋅b⃗=k22k^2 - 2\vec{a} \cdot \vec{b} = k^2
解得:
a⃗⋅b⃗=12k2\vec{a} \cdot \vec{b} = \frac{1}{2}k^2

2. 计算向量夹角的余弦值并求出夹角大小

根据向量夹角公式:
cos⁡θ=a⃗⋅b⃗∣a⃗∣∣b⃗∣=12k2k⋅k=12\cos \theta = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}||\vec{b}|} = \frac{\frac{1}{2}k^2}{k \cdot k} = \frac{1}{2}
因为向量夹角 θ∈[0∘,180∘]\theta \in [0^\circ, 180^\circ],所以:
θ=60∘(或 π3)\theta = 60^\circ \quad \left(\text{或 } \frac{\pi}{3}\right)

答案

60∘60^\circ(或 π3\dfrac{\pi}{3})

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