Как найти разложение вектора по данному базису

Автор статьи

оксана николаевна кузнецова

Эксперт по предмету «Математика»

Задать вопрос автору статьи

Вектор в произвольном линейном пространстве — это некоторый элемент этого пространства.

Замечание 1

Базисом трёхмерного пространства называют некоторые линейно независимые вектора $a, b$ и $c$, если любой вектор $d$ может быть выражен в виде линейной комбинации этих векторов, то есть существуют некоторые вещественные коэффициенты $λ, μ$ и $ν$, причём такие, что будет соблюдаться условие $d= λ cdot a + μcdot b + ν cdot c left( 1 right)$.

Числа $λ, μ$ и $ν$ называются координатами рассматриваемого вектора относительно некоторого базиса $a, b$ и $c$.

В контексте плоскости базисом будет два независимых вектора, лежащих в этой плоскости, а не три, как в объёмном мире.

Любой вектор $d$ имеет лишь единственное разложение по базису векторов, то есть его координаты задаются однозначно через используемый базис.

Логотип baranka

Сдай на права пока
учишься в ВУЗе

Вся теория в удобном приложении. Выбери инструктора и начни заниматься!

Получить скидку 3 000 ₽

Определение 1

Аффинными координатами некоторой точки $M$ в пространстве называются координаты точки относительно базиса пространства $a, b$ и $c$ и некоторой точки $O$, которую принимают за начало координат.

Декартова система координат является примером аффиной системы координат, причём базисные вектора в ней принято обозначать не буквами $a, b$ и $c$, а $i, j$ и $k$, представляющими собой направленные ортогональные между собой отрезки, причём длина каждого равна единице.

Для декартовой системы координат формула разложения выглядит так:

$d = X cdot vec{i} + Y cdot vec{j} + Z cdot vec{k}$

Здесь $X, Y$ и $Z$ — координаты вектора, а $ i, j$ и $k$ — базис.

Через базис декартовой системы координат выражается скалярное произведение векторов, заданных в этом пространстве. Для этого их координаты записываются через специальную матрицу.

Пример 1

Докажите, что вектора, $a_1…a_4$, перечисленные ниже, являются базисом пространства $mathbb{R^4}$.

$a_1 = (1; 2; -1: -2)$;
$a_2 = (2; 3 0; -1)$;
$a_3 = (1; 2; 1; 4)$;
$a_4 = (1; 3; -1; 0)$

Решение:

Размерность данного пространства равна 4, а это значит, что для проверки того, являются ли эти вектора базисом, нужно доказать их линейную независимость, то есть доказать, что ранг матрицы, составленной из координат этих векторов как из строчек, равен количеству строк.

Составленная матрица имеет вид:

$A = begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & -2 \ 2 & 3 & 0 & -1 \ 1 & 2 & 1 & 4 \ 1 & 3 & -1 & 0 \ end{pmatrix}$

Преобразуем её к треугольной, для краткости описания выполняемых операций строчки будем записывать (n), здесь $n$ — номер строчки.

1) (4) – (1); (3) – (1); (2) – (1) $cdot 2$:

$begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & -2 \ 0 & -1 & 2 & 3 \ 0 & 0 & 2 & 6 \ 0 & 1 & 0 & 2 \ end{pmatrix}$

2) (4) + (2):

$begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & -2 \ 0 & -1 & 2 & 3 \ 0 & 0 & 2 & 6 \ 0 & 0 & 2 & 5 \ end{pmatrix}$

3) (4) – (3):

$begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & -2 \ 0 & -1 & 2 & 3 \ 0 & 0 & 2 & 6 \ 0 & 0 & 0 & -1 \ end{pmatrix}$

Приведённая матрица имеет ранг 4, а значит данные вектора образуют базис этого пространства.

«Разложение вектора по базису векторов: формулировка с примерами решения» 👇

Пример 2

Пусть вектор $vec{k}$ можно разложить с использованием базиса $vec{a}$ и $vec{b}$ по формуле
$vec{k}= 5cdot vec{a} – 3 cdot vec{b}$. Каковы его координаты в соответствии с этим базисом?

Решение:

$vec{a}$ и $vec{b}$ — единичные вектора данного двумерного пространства, а это значит, что коэффициенты при них в заданном равенстве и являются координатами в этом базисе:

$vec{k} = (5; – 3)_{{a; b}}$.

Пример 3

Дан базис из трёх векторов $(1; 1; 3), ( -3; 4; 9), (2; -2; 4)$ и вектор $vec{k}=(8; -9; 6)$. Разложите данный вектор по заданному базису.

Решение:

Воспользуемся формулировкой разложения $(1)$:

$k_1 cdot (1; 1; 3) + k_2 cdot ( -3; 4; 9) + k_3 cdot (2; -2; 4) = (8; -9; 6)$;

Для того чтобы узнать координаты в данном базисе, составим расширенную матрицу, действия со строчками будем записывать как в предыдущем примере:

$begin{array}{ccc|c} 1 & -3 & 2 & 8 \ -1 & 4 & -2 & -9 \ 3 & 9 & 4 & 6 \ end{array}$

1) (2) – (1); (3) – (1) $cdot 3$:

$begin{array}{ccc|c} 1 & -3 & 2 & 8 \ 0 & 1 & 0 & -1 \ 0 & 18 & -2 & -18 \ end{array}$;

2) (1) + (2) $cdot 3$; (3) – (2) $cdot 18$:

$begin{array}{ccc|c} 1 & 0 & 2 & 5 \ 0 & 1 & 0 & -1 \ 0 & 0 & -2 & 0 \ end{array}$;

3) (3) : (-2):

$begin{array}{ccc|c} 1 & 0 & 2 & 5 \ 0 & 1 & 0 & -1 \ 0 & 0 & 1 & 0 \ end{array}$;

4) (1) – (3) $cdot 2$:

$begin{array}{ccc|c} 1 & 0 & 0 & 5 \ 0 & 1 & 0 & -1 \ 0 & 0 & 1 & 0 \ end{array}$;

Координатами вектора $vec{k}$ в заданном базисе будут $(5; – 1; 0)$.

Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу

Поиск по теме

В статье о n-мерных векторах мы пришли к понятию линейного пространства, порождаемого множеством n-мерных векторов. Теперь нам предстоит рассмотреть не менее важные понятия, такие как размерность и базис векторного пространства. Они напрямую связаны с понятием линейно независимой системы векторов, так что дополнительно рекомендуется напомнить себе основы и этой темы.

Введем некоторые определения.

Определение 1

Размерность векторного пространства – число, соответствующее максимальному количеству линейно независимых векторов в этом пространстве.

Определение 2

Базис векторного пространства – совокупность линейно независимых векторов, упорядоченная и в своей численности равная размерности пространства.

Рассмотрим некое пространство n-векторов. Размерность его соответственно равна n. Возьмем систему из n-единичных векторов:

e(1)=(1, 0,…,0)e(2)=(0, 1,…,0)e(n)=(0, 0,…,1)

Используем эти векторы в качестве составляющих матрицы A: она будет являться единичной с размерностью n на n. Ранг этой матрицы равен n. Следовательно, векторная система e(1), e(2),…, e(n) является линейно независимой. При этом к системе невозможно добавить ни одного вектора, не нарушив ее линейной независимости.

Так как число векторов в системе равно n, то размерность пространства n-мерных векторов равна n, а единичные векторы e(1), e(2),…, e(n) являются базисом указанного пространства.

Из полученного определения сделаем вывод: любая система n-мерных векторов, в которой число векторов меньше n, не является базисом пространства.

Если мы поменяем местами первый и второй вектор, получим систему векторов e(2), e(1),…, e(n). Она также будет являться базисом n-мерного векторного пространства. Составим матрицу, взяв за ее строки векторы полученной системы. Матрица может быть получена из единичной матрицы перестановкой местами первых двух строк, ранг ее будет равен n. Система e(2), e(1),…, e(n) линейно независима и является базисом n-мерного векторного пространства.

Переставив местами в исходной системе другие векторы, получим еще один базис.

Мы можем взять линейно независимую систему неединичных векторов, и она также будет представлять собой базис n-мерного векторного пространства.

Определение 3

Векторное пространство с размерностью n имеет столько базисов, сколько существует линейно независимых систем из n-мерных векторов числом n.

Плоскость является двумерным пространством – ее базисом будут два любых неколлинеарных вектора. Базисом трехмерного пространства послужат три любых некомпланарных вектора.

Рассмотрим применение данной теории на конкретных примерах.

Пример 1

Исходные данные: векторы

a=(3, -2, 1)b=(2, 1, 2)c=(3, -1, -2)

Необходимо определить, являются ли указанные векторы базисом трехмерного векторного пространства.

Решение

Для решения поставленной задачи исследуем заданную систему векторов на линейную зависимость. Составим матрицу, где строки – координаты векторов. Определим ранг матрицы.

A=323-21-112-2A=3-212123-1-2=3·1·(-2)+(-2)·2·3+1·2·(-1)-1·1·3-(-2)·2·(-2)-3·2·(-1)==-25≠0⇒Rank(A)=3

Следовательно, заданные условием задачи векторы линейно независимы, и их численность равна размерности векторного пространства – они являются базисом векторного пространства.

Ответ: указанные векторы являются базисом векторного пространства.

Пример 2

Исходные данные: векторы

a=(3, -2, 1)b=(2, 1, 2)c=(3, -1, -2)d=(0, 1, 2)

Необходимо определить, может ли указанная система векторов являться базисом трехмерного пространства.

Решение

Указанная в условии задачи система векторов является линейно зависимой, т.к. максимальное число линейно независимых векторов равно 3. Таким образом, указанная система векторов не может служить базисом трехмерного векторного пространства. Но стоит отметить, что подсистема исходной системы a=(3, -2, 1), b=(2, 1, 2), c=(3, -1, -2) является базисом.

Ответ: указанная система векторов не является базисом.

Пример 3

Исходные данные: векторы

a=(1, 2, 3, 3)b=(2, 5, 6, 8)c=(1, 3, 2, 4)d=(2, 5, 4, 7)

Могут ли они являться базисом четырехмерного пространства?

Решение

Cоставим матрицу, используя в качестве строк координаты заданных векторов

A=1233256813242547

По методу Гаусса определим ранг матрицы:

A=1233256813242547~1233010201-1101-21~~1233010200-1-100-2-1~1233010200-1-10001⇒⇒Rank(A)=4

Следовательно, система заданных векторов линейно независима и их численность равна размерности векторного пространства – они являются базисом четырехмерного векторного пространства.

Ответ: заданные векторы являются базисом четырехмерного пространства.

Пример 4

Исходные данные: векторы

a(1)=(1, 2, -1, -2)a(2)=(0, 2, 1, -3)a(3)=(1, 0, 0, 5)

Составляют ли они базис пространства размерностью 4?

Решение

Исходная система векторов линейно независима, но численность векторов в ней недостаточна, чтобы стать базисом четырехмерного пространства.

Ответ: нет, не составляют.

Разложение вектора по базису

Примем, что произвольные векторы e(1), e(2),…, e(n) являются базисом векторного n-мерного пространства. Добавим к ним некий n-мерный вектор x→: полученная система векторов станет линейно зависимой. Свойства линейной зависимости гласят, что хотя бы один из векторов такой системы может линейно выражаться через остальные. Переформулируя это утверждение, можно говорить о том, что хотя бы один из векторов линейно зависимой системы может раскладываться по остальным векторам.

Таким образом, мы пришли к формулировке важнейшей теоремы:

Определение 4

Любой вектор n-мерного векторного пространства единственным образом раскладывается по базису.

Доказательство 1

Докажем эту теорему:

зададим базис n-мерного векторного пространства – e(1), e(2),…, e(n). Сделаем систему линейно зависимой, добавив к ней n-мерный вектор x→. Этот вектор может быть линейно выражен через исходные векторы e:

x=x1·e(1)+x2·e(2)+…+xn·e(n) , где x1, x2,…, xn – некоторые числа.

Теперь докажем, что такое разложение является единственным. Предположим, что это не так и существует еще одно подобное разложение:

x=x~1e(1)+x2~e(2)+…+x~ne(n), где x~1, x~2,…, x~n – некие числа.

Отнимем от левой и правой частей этого равенства соответственно левую и правую части равенства x=x1·e(1)+x2·e(2)+…+xn·e(n) . Получим:

0=(x~1-x1)·e(1)+(x~2-x2)·e(2)+…(x~n-xn)·e(2)

Система базисных векторов e(1), e(2),…, e(n) линейно независима; по определению линейной независимости системы векторов равенство выше возможно только тогда, когда все коэффициенты (x~1-x1), (x~2-x2),…, (x~n-xn) будут равны нулю. Из чего справедливым будет: x1=x~1, x2=x~2,…, xn=x~n. И это доказывает единственный вариант разложения вектора по базису.

При этом коэффициенты x1, x2,…, xn называются координатами вектора x→ в базисе e(1), e(2),…, e(n).

Доказанная теория делает понятным выражение «задан n-мерный вектор x=(x1, x2,…, xn)»: рассматривается вектор x→ n-мерного векторного пространства, и его координаты заданы в некотором базисе. При этом также понятно, что этот же вектор в другом базисе n-мерного пространства будет иметь другие координаты.

Рассмотрим следующий пример: допустим, что в некотором базисе n-мерного векторного пространства задана система из n линейно независимых векторов

e(1)=(e1(1), e2(1),…, en(1))e(2)=(e1(2), e2(2),…, en(2))⋮e(n)=(e1(n), e2(n),…, en(n))

а также задан вектор x=(x1, x2,…, xn).

Векторы e1(1), e2(2),…, en(n) в этом случае также являются базисом этого векторного пространства.

Предположим, что необходимо определить координаты вектора x→ в базисе e1(1), e2(2),…, en(n), обозначаемые как x~1, x~2,…, x~n.

Вектор x→ будет представлен следующим образом:

x=x~1·e(1)+x~2·e(2)+…+x~n·e(n)

Запишем это выражение в координатной форме:

(x1, x2,…, xn)=x~1·(e(1)1, e(1)2,…, e(1)n)+x~2·(e(2)1, e(2)2,…, e(2)n)+…++x~n·(e(n)1, e(n)2,…, e(n)n)==(x~1e1(1)+x~2e1(2)+…+x~ne1(n), x~1e2(1)+x~2e2(2)++…+x~ne2(n), …, x~1en(1)+x~2en(2)+…+x~nen(n))

Полученное равенство равносильно системе из n линейных алгебраических выражений с n неизвестными линейными переменными x~1, x~2,…, x~n:

x1=x~1e11+x~2e12+…+x~ne1nx2=x~1e21+x~2e22+…+x~ne2n⋮xn=x~1en1+x~2en2+…+x~nenn

Матрица этой системы будет иметь следующий вид:

e1(1)e1(2)⋯e1(n)e2(1)e2(2)⋯e2(n)⋮⋮⋮⋮en(1)en(2)⋯en(n)

Пусть это будет матрица A, и ее столбцы – векторы линейно независимой системы векторов e1(1), e2(2),…, en(n). Ранг матрицы – n, и ее определитель отличен от нуля. Это свидетельствует о том, что система уравнений имеет единственное решение, определяемое любым удобным способом: к примеру, методом Крамера или матричным методом. Таким образом мы сможем определить координаты x~1, x~2,…, x~n вектора x→ в базисе e1(1), e2(2),…, en(n).

Применим рассмотренную теорию на конкретном примере.

Пример 6

Исходные данные: в базисе трехмерного пространства заданы векторы

e(1)=(1,-1,1)e(2)=(3, 2, -5)e(3)=(2, 1, -3)x=(6, 2, -7)

Необходимо подтвердить факт, что система векторов e(1), e(2), e(3) также служит базисом заданного пространства, а также определить координаты вектора х в заданном базисе.

Решение

Система векторов e(1), e(2), e(3) будет являться базисом трехмерного пространства, если она линейно независима. Выясним эту возможность, определив ранг матрицы A, строки которой – заданные векторы e(1), e(2), e(3).

Используем метод Гаусса:

A=1-1132-521-3~1-1105-803-5~1-1105-800-15

Rank (A) = 3. Таким образом, система векторов e(1), e(2), e(3) линейно независима и является базисом.

Пусть в базисе вектор x→ имеет координаты x~1, x~2, x~3. Связь этих координат определяется уравнением:

x1=x~1e1(1)+x~2e1(2)+x~3e1(3)x2=x~1e2(1)+x~2e2(2)+x~3e2(3)x3=x~1e3(1)+x~2e3(2)+x~3e3(3)

Применим значения согласно условиям задачи:

x~1+3x~2+2x~3=6-x~1+2x~2+x~3=2x~1-5x~2-3×3=-7

Решим систему уравнений методом Крамера:

∆=132-1211-5-3=-1∆x~1=632221-7-5-3=-1,     x~1=∆x~1∆=-1-1=1∆x~2=162-1211-7-3=-1,     x~2=∆x~2∆=-1-1=1∆x~3=136-1221-5-7=-1,     x~3=∆x~3∆=-1-1=1

Так, вектор x→ в базисе e(1), e(2), e(3) имеет координаты x~1=1, x~2=1, x~3=1.

Ответ: x=(1,1,1)

Связь между базисами

Предположим, что в некотором базисе n-мерного векторного пространства даны две линейно независимые системы векторов:

c(1)=(c1(1), c2(1),…, cn(1))c(2)=(c1(2), c2(2),…, cn(2))⋮c(n)=(c1(n), e2(n),…, cn(n))

И

e(1)=(e1(1), e2(1),…, en(1))e(2)=(e1(2), e2(2),…, en(2))⋮e(n)=(e1(n), e2(n),…, en(n))

Указанные системы являются также базисами заданного пространства.

Пусть c~1(1), c~2(1),…, c~n(1) – координаты вектора c(1) в базисе e(1), e(2),…, e(3), тогда связь координат будет задаваться системой линейных уравнений:

с1(1)=c~1(1)e1(1)+c~2(1)e1(2)+…+c~n(1)e1(n)с2(1)=c~1(1)e2(1)+c~2(1)e2(2)+…+c~n(1)e2(n)⋮                                                           сn(1)=c~1(1)en(1)+c~2(1)en(2)+…+c~n(1)en(n)

В виде матрицы систему можно отобразить так:

(c1(1), c2(1),…, cn(1))=(c~1(1), c~2(1),…, c~n(1))·e1(1)e2(1)…en(1)e1(2)e2(2)…en(2)⋮⋮⋮⋮e1(n)e2(n)…en(n)

Сделаем по аналогии такую же запись для вектора c(2):

(c1(2), c2(2),…, cn(2))=(c~1(2), c~2(2),…, c~n(2))·e1(1)e2(1)…en(1)e1(2)e2(2)…en(2)⋮⋮⋮⋮e1(n)e2(n)…en(n)

И, далее действуя по тому же принципу, получаем:

(c1(n), c2(n),…, cn(n))=(c~1(n), c~2(n),…, c~n(n))·e1(1)e2(1)…en(1)e1(2)e2(2)…en(2)⋮⋮⋮⋮e1(n)e2(n)…en(n)

Матричные равенства объединим в одно выражение:

c1(1)c2(1)⋯cn(1)c1(2)c2(2)⋯cn(2)⋮⋮⋮⋮c1(n)c2(n)⋯cn(n)=c~1(1)c~2(1)⋯c~n(1)c~1(2)c~2(2)⋯c~n(2)⋮⋮⋮⋮c~1(n)c~2(n)⋯c~n(n)·e1(1)e2(1)⋯en(1)e1(2)e2(2)⋯en(2)⋮⋮⋮⋮e1(n)e2(n)⋯en(n)

Оно и будет определять связь векторов двух различных базисов.

Используя тот же принцип, возможно выразить все векторы базиса e(1), e(2),…, e(3) через базис c(1), c(2),…, c(n):

e1(1)e2(1)⋯en(1)e1(2)e2(2)⋯en(2)⋮⋮⋮⋮e1(n)e2(n)⋯en(n)=e~1(1)e~2(1)⋯e~n(1)e~1(2)e~2(2)⋯e~n(2)⋮⋮⋮⋮e~1(n)e~2(n)⋯e~n(n)·c1(1)c2(1)⋯cn(1)c1(2)c2(2)⋯cn(2)⋮⋮⋮⋮c1(n)c2(n)⋯cn(n)

Дадим следующие определения:

Определение 5

Матрица c~1(1)c~2(1)⋯c~n(1)c~1(2)c~2(2)⋯c~n(2)⋮⋮⋮⋮c~1(n)c~2(n)⋯c~n(n) является матрицей перехода от базиса e(1), e(2),…, e(3)

к базису c(1), c(2),…, c(n).

Определение 6

Матрица e~1(1)e~2(1)⋯e~n(1)e~1(2)e~2(2)⋯e~n(2)⋮⋮⋮⋮e~1(n)e~2(n)⋯e~n(n) является матрицей перехода от базиса c(1), c(2),…, c(n)

к базису e(1), e(2),…, e(3).

Из этих равенств очевидно, что

c~1(1)c~2(1)⋯c~n(1)c~1(2)c~2(2)⋯c~n(2)⋮⋮⋮⋮c~1(n)c~2(n)⋯c~n(n)·e~1(1)e~2(1)⋯e~n(1)e~1(2)e~2(2)⋯e~n(2)⋮⋮⋮⋮e~1(n)e~2(n)⋯e~n(n)=10⋯001⋯0⋮⋮⋮⋮00⋯1e~1(1)e~2(1)⋯e~n(1)e~1(2)e~2(2)⋯e~n(2)⋮⋮⋮⋮e~1(n)e~2(n)⋯e~n(n)·c~1(1)c~2(1)⋯c~n(1)c~1(2)c~2(2)⋯c~n(2)⋮⋮⋮⋮c~1(n)c~2(n)⋯c~n(n)=10⋯001⋯0⋮⋮⋮⋮00⋯1 

т.е. матрицы перехода взаимообратны.

Рассмотрим теорию на конкретном примере.

Пример 7

Исходные данные: необходимо найти матрицу перехода от базиса

c(1)=(1, 2, 1)c(2)=(2, 3, 3)c(3)=(3, 7, 1)

к базису

e(1)=(3, 1, 4)e(2)=(5, 2, 1)e(3)=(1, 1, -6)

Также нужно указать связь координат произвольного вектора x→ в заданных базисах.

Решение

1. Пусть T – матрица перехода, тогда верным будет равенство:

314521111=T·121233371

Умножим обе части равенства на

121233371-1

и получим:

T=31452111-6·121233371-1

2. Определим матрицу перехода:

T=31452111-6·121233371-1==31452111-6·-18537-2-15-1-1=-2794-712012-4198

3. Определим связь координат вектора x→:

допустим, что в базисе c(1), c(2),…, c(n) вектор x→ имеет координаты x1,x2,x3, тогда:

x=(x1,x2,x3)·121233371,

а в базисе e(1), e(2),…, e(3) имеет координаты x~1,x~2,x~3, тогда:

x=(x~1,x~2,x~3)·31452111-6

Т.к. равны левые части этих равенств, мы можем приравнять и правые:

(x1,x2,x3)·121233371=(x~1,x~2,x~3)·31452111-6

Умножим обе части справа на

121233371-1

и получим:

(x1,x2,x3)=(x~1,x~2,x~3)·31452111-6·121233371-1⇔⇔(x1,x2,x3)=(x~1,x~2,x~3)·T⇔⇔(x1,x2,x3)=(x~1,x~2,x~3)·-2794-712012-4198

С другой стороны

(x~1,x~2,x~3)=(x1,x2,x3)·-2794-712012-4198

Последние равенства показывают связь координат вектора x→ в обоих базисах.

Ответ: матрица перехода

-2794-712012-4198

Координаты вектора x→ в заданных базисах связаны соотношением:

(x1,x2,x3)=(x~1,x~2,x~3)·-2794-712012-4198

или

(x~1,x~2,x~3)=(x1,x2,x3)·-2794-712012-4198-1

§ 22.Разложение вектора по базису

22.1. Компланарные векторы

Определение. Ненулевые векторы , , называются компланарными, если изображающие их направленные отрезки лежат в одной плоскости или параллельны одной и той же плоскости (рис. 180, а).

Понятие компланарности определяется для произвольной совокупности векторов. Так, любой вектор компланарен некоторой плоскости. Два любых вектора также компланарны некоторой плоскости. Но три любых вектора считаются компланарными некоторой плоскости, если направленные отрезки, изображающие эти векторы, будучи отложенными от одной точки, лежат в одной плоскости. Аналогично определяется компланарность для четырёх, пяти и т. д. произвольной совокупности векторов.

На рисунке 180, б векторы , , компланарны, так как отрезок B1D1 параллелен плоскости ABD, но тройка векторов , и  не является компланарной, так как отрезок AA1 не параллелен плоскости ABD, в которой расположены отрезки AB и AD. Некомпланарны и тройки векторов , , и , , . (Почему?)

Укажите тройки компланарных и некомпланарных векторов, изображённых на рисунке 180, б, в.

Замечание. Если среди трёх векторов хотя бы два коллинеарны, то эти три вектора компланарны.

Рис. 180

Рис. 181

В самом деле, пусть среди трёх векторов  = ,  = ,   коллинеарны векторы и , т. е.  = x. Проведём плоскость α, параллельную непараллельным прямым AB и CD (рис. 181). Тогда MN ‖ α (почему?). От произвольной точки O плоскости α отложим направленные отрезки  = ,  = ,  = .

Эти отрезки лежат в плоскости α (почему?). Следовательно, векторы , и  компланарны. Три вектора, среди которых имеется нулевой вектор, считаются также компланарными.

22.2. Разложение вектора на плоскости

Пусть на плоскости α даны неколлинеарные векторы и ;  — произвольный вектор этой плоскости.

Если вектор коллинеарен с одним из векторов и , то или  = x + 0• ( ‖ ), или  = 0• + y ( ‖ ).

Заметим, что  = 0• + 0•.

Пусть теперь вектор = не коллинеарен ни с одним из векторов и  (рис. 182). Через точку С проведём прямые a1a и b1b, при этом получим точки A1 = a ∩ b1 и B1 = b ∩ a1. Тогда по правилу параллелограмма пишем:

Рис. 182

 =  =   x + y = x + y или

 = x + y .(1)

Равенство  = x + y называется разложением вектора по двум неколлинеарным векторам и ; числа и y называются коэффициентами разложения.

Покажем, что числа x и y в разложении (1) однозначно определены. Действительно, предположим, что существуют другие числа x1 и y1 такие, что, по крайней мере, или x1x, или y1y и при этом верно равенство

 = x1 + y1.(2)

Из равенств (1) и (2) получаем x + y = x1 + y1 или (x1 – x)  + (y1 – y)  = 0, откуда следует, что либо векторы и  коллинеарны (что противоречит условию), либо y1 = y и x1 = x. Таким образом, нами доказана теорема.

Теорема 34. Если на плоскости дана упорядоченная пара (; ) неколлинеарных векторов, то для любого вектора этой плоскости существует единственная упорядоченная пара чисел (x; y) такая, что выполняется векторное равенство

 = x + y.

Из равенства (1) следует, что любой вектор , компланарный с неколлинеарными векторами и , является линейной комбинацией векторов и . Поэтому пару векторов и  называют базисом на плоскости, а также базисом на множестве всех векторов пространства, компланарных с векторами и .

Определение. Базисом на плоскости называется любая упорядоченная пара неколлинеарных векторов и . Векторы и называются базисными векторами.

Базис из векторов и  обозначают (; ). При этом равенство  = x + y называется разложением вектора по базису (; ) (или разложением вектора по базисным векторам и ), а числа x и y — координатами вектора в базисе (; ).

Если вектор компланарен с неколлинеарными векторами и , то выполняется равенство  = x + y.

Справедливо и обратное утверждение: если для векторов , и  выполняется равенство  = x + y, то векторы , и  компланарны.

(Докажите его самостоятельно.)

Таким образом: три вектора , и  (где и  неколлинеарные векторы) пространства компланарны, если существуют числа x и y такие, что выполняется равенство

 = x + y.

Признак компланарности трёх векторов можно сформулировать следующим образом.

Теорема 35 (признак компланарности трёх векторов). Три вектора , и  пространства компланарны тогда и только тогда, когда существуют такие числа x, y, z, из которых хотя бы одно отлично от нуля, что выполняется равенство

x + y + z = .

Рис. 183

Докажите это утверждение самостоятельно.

Напомним одно важное векторное равенство на плоскости. Пусть точка O не лежит на прямой AB. Тогда точка M лежит на прямой AB тогда и только тогда, когда  = x + y при x + y = 1 (рис. 183).

22.3. Разложение вектора по трём некомпланарным векторам

Определение. Три вектора называются некомпланарными, если изображающие их направленные отрезки не лежат в одной плоскости и не параллельны одной плоскости.

Теорема 36. Если дана упорядоченная тройка (; ; ) некомпланарных векторов, то для любого вектора пространства существует единственная упорядоченная тройка чисел (x; y; z), удовлетворяющая равенству

= x + y + z.

Рис. 184

Рис. 185

Доказательство. Пусть даны три некомпланарных вектора , , и произвольный вектор .

Если вектор компланарен с любыми двумя из данных трёх векторов , , , то теорема верна (например, если компланарен с векторами и , то  = 0• + y + z) (рис. 184).

Пусть теперь никакие три из векторов , , , не компланарны.

От произвольной точки O отложим векторы  = ,  = ,  =  и  = . Так как направленные отрезки , и  не компланарны, то плоскости AOB, AOC и BOC различны (рис. 185).

Проведём через точку D прямую, параллельную OC (D1 — точка пересечения этой прямой с плоскостью AOB). Тогда по правилу треугольника

 =  =  + .(1)

Векторы , и  компланарны. Следовательно,  = x + y. Так как  = , а вектор коллинеарен вектору  = , т. е. = z, то

 =  = x + y + z.

Таким образом, для произвольного вектора пространства выполняется равенство

 = x + y + z,(2)

где , ,  — данные некомпланарные векторы. Равенство (2) называется разложением вектора по трём некомпланарным векторам , и ; числа x, y, z называются коэффициентами разложения.

Докажем, что коэффициенты x, y и z в разложении (2) однозначно определены. Предположим, что существует другая тройка чисел (x1; y1; z1), для которой верно равенство

 = x1 + y1 + z1.(3)

Вычитая (3) из (2), получаем

(xx1)  + (yy1)  + (zz1)  = .

Из этого равенства на основании теоремы 35 следует, что либо векторы , и  компланарны (что противоречит условию), либо z = z1, x = x1 и y = y1. Следовательно, тройки чисел (x; y; z) и (x1; y1; z1) равны. Теорема доказана.

Из равенства  = x + y + z следует, что любой вектор пространства является линейной комбинацией тройки некомпланарных векторов , и . Поэтому говорят, что эта тройка образует базис векторов в пространстве.

Определение. Базисом векторов в пространстве называется любая упорядоченная тройка некомпланарных векторов. Векторы, образующие базис, называются базисными векторами.

Базис из векторов , и  обозначают (; ; ). Равенство  = x + y + z называется разложением вектора по базису (; ; ) или разложением вектора по базисным векторам , и ; числа x, y, z называются координатами вектора в базисе (; ; ).

Рис. 186

Из теоремы 36 следует, что любой вектор пространства можно единственным образом разложить в данном базисе.

ЗадаЧа. В тетраэдре PABC точка M — центроид (точка пересечения медиан, центр тяжести) треугольника PBC, точка H — середина ребра PC, точка E взята на ребре AP так, что AE : EP = 2 : 1. Разложить вектор по базису (; ; ), если  = ,  = ,  =  (рис. 186).

Решение. По правилу ломаной

 =  + + .

Находим: AE : EP = 2 : 1.

 =  =  () =  ();

 = – = – ;

M — центроид треугольника PBC.

 =  =  ( + ) =  ( + ).

Тогда

 =  () – +  ( + ) = –  + .

Ответ: –  + .

Рис. 187

Попробуйте доказать самостоятельно важный стереометрический факт. Пусть даны треугольник ABC и любая точка O, не лежащая в плоскости этого треугольника. В таком случае: точка M тогда и только тогда будет лежать в плоскости ABC, когда выполняется векторное равенство  = x + y + z при условии, что x + y + z = 1 (рис. 187).

Рис. 188

ЗадаЧа 6.044. ABCDA1B1C1D1 — куб. Доказать, что центроид M треугольника ACD1 принадлежит диагонали B1D и делит её в отношении 1 : 2, считая от вершины D.

Решение. Для решения задачи достаточно убедиться, что векторы и  (рис. 188) коллинеарны (почему?).

Введём базис  = ,  = ,  =  и найдём разложение векторов и  по этому базису.

По правилу параллелепипеда имеем

 =  + +  =  + + .(1)

Так как точка M — центроид треугольника ACD1, то

 =  ( + + ) =  ( + + ).(2)

Из (1) и (2) следует, что  = , поэтому векторы и  коллинеарны и сонаправлены. Это означает, что точка M принадлежит диагонали DB1 и DM : DB1 = 1 : 3, откуда DM : MB1 = 1 : 2, что и требовалось доказать.

В данной публикации мы рассмотрим, каким образом можно разложить вектор по двум базисным векторам, а также разберем пример решения задачи по этой теме.

  • Принцип разложения вектора

  • Пример задачи

Принцип разложения вектора

Для того, чтобы разложить вектор b по базисным векторам a1, …, an, требуется определить такие коэффициенты x1, …, xn, при которых линейная комбинация векторов a1, …, an равняется вектору b, то есть:

x1a1 + … + xnan = b

где x1, …, xn – координаты вектора b в базисе a1, …, an

Пример задачи

Разложим вектор b = {16; 1} по двум базисным векторам m = {2; 1} и n = {1; -3}.

Решение:

1. Векторное уравнение выглядит так:

xm + yn = b

2. Представим его в виде системы линейных уравнений:

Пример системы линейных уравнений

3. Теперь нужно решить систему. Из второго уравнения получаем:
x = 1 + 3y.

Подставляем полученное выражение в первое уравнение:
2 · (1 + 3y) + y = 16
2 + 6y + y = 16
7y = 14
y = 2

Следовательно, x = 1 + 3y = 1 + 2 · 2 = 7.

Ответ: b = 7m + 2n.

Пусть

– единичные векторы осей координат, т.е.


и каждый из них одинаково направлен с
координатными осями.
Тройка векторов

называется
координатным

базисом.

Теорема.
Любой вектор пространства можно разложить
по базису
,
т.е. представить
в виде
,
где

– некоторые числа (буквы:

– «мю»,

– «ню»).

Это разложение
единственное.

Доказательство.
Приложим вектор

к началу координат, обозначим его конец

.
Проведем
через точку

плоскости,
перпендикулярные осям координат. Пусть

,

,

точки
пересечения этих плоскостей с осями
координат.

Существует
единственная тройка чисел
,
,

таких, что


.

Формула

называется
разложением вектора по координатному
базису.

Числа
,
,

называются
координатами
вектора


,
т.е. координаты
вектора есть его проекции на соответствующие
координатные оси. В символическом виде
записывают
.

Например, если,
то его
координаты
.

Зная координаты
вектора
,
длину его можно найти по формуле

Если известны
координаты точек

и
,
то координаты вектора равны:
.

Пусть углы вектора

с осями
,
,

соответственно равны
,
,
.
Числа
,
,

называются
направляющими косинусами вектора

.

;
;

;


основное
свойство направляющих косинусов вектора.

7.4. Действия над векторами, заданными координатами

Пусть векторы

и

заданы своими координатами.

При сложении
(вычитании) векторов их одноименные
координаты складываются (вычитаются),
т.е.

При умножении
вектора на число

координаты его умножаются на это число,
т.е.
.

Если вектор

коллинеарен вектору
,
то можно записать
,
где

– некоторое число, т.е.
,
,
.
Отсюда,
,
,

или

– условие коллинеарности векторов.

7.5. Деление отрезка в данном отношении

,

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

Пусть даны координаты
точек

и
;
и отношение
.

Требуется найти координаты точки
.

Из равенства
векторов следует равенство соответствующих
координат:

.

Аналогично,

;

.

В частном случае:


– середина
отрезка, т.е.
.

Пример.
Дан треугольник
,

где
,

,
.

Найти
координаты точки

пересечения
биссектрисы угла

со стороной
.


,
,

,

.

.

;

;

Ответ:
.

§ 8. Скалярное
произведение векторов

8.1. Определение
скалярного произведения

Определение.
Скалярным произведением вектора

на вектор

называется число
(скаляр)
,
равное произведению длин этих векторов
на косинус угла между ними.

Обозначается:

или
.

Найдем
проекцию вектора

на вектор

.

Из геометрии
известно
.

Умножим и разделим
левую часть на
:

,
аналогично находим
.

8.2. Свойства
скалярного произведения

1.


Доказательство.


. 

2.

.

3.

.

4.

.

Определение:
Число, равное

,
называется скалярным
квадратом

вектора
.

5.
Скалярный квадрат вектора равен
квадрату его длины
.

Доказательство.

.

6.
Скалярное произведение базисных
векторов:

,

.

8.3. Вычисление
скалярного произведения векторов через
координаты

Теорема. Если

,

,
то
.

Доказательство.
Запишем векторы

и

в виде разложения по базису, т.е.

и

.

Тогда

По свойству
скалярного произведения базисных
векторов
:


.

Таким образом,
.

8.4. Приложения
скалярного произведения векторов

  1. Установление
    перпендикулярности ненулевых векторов:

.

Если


, то


условие перпендикулярности

векторов.

2. Вычисление
проекции вектора на вектор:


и

.

3. Определение
угла между векторами:

,
т.е.
.

4. Работа постоянной
силы.

Если
точка перемещается прямолинейно из
положения

в положение

под действием силы
,
то работа по перемещению равна:

.

Пример 1.
К точке

приложены три силы
.

Вычислить
работу по перемещению точки

в точку
.



– равнодействующая
трех сил.



.

.

Пример 2.
Дано:
,

,


,
.

Найти угол между
векторами

и
.

 Так как


или
.

,


,

Таким образом,
.

Пример 3.
Найти длину вектора
,
если
,
,.



Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Добавить комментарий