Как найти разность квадратов векторов - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

Математические или физические величины могут быть представлены как скалярными величинами (численным значением), так и векторными величинами (величиной и направлением в пространстве).

Вектор представляет собой направленный отрезок прямой, для которого указано, какая из его граничных точек является началом, а какая — концом. Таким образом, в векторе присутствует две составляющих – это его длина и направление.

Рис.1. Изображение вектора на чертеже.

При работе с векторами часто вводят некоторую декартову систему координат в которой определяют координаты вектора, раскладывая его по базисным векторам:

– для вектора, расположенного в пространстве координат (x,y) и выходящего из начала координат

– для вектора, расположенного в пространстве координат (x,y,z) и выходящего из начала координат

Расстояние между началом и концом вектора называется его длиной, а для обозначения длины вектора (его абсолютной величины) пользуются символом модуля.

Векторы расположенные либо на одной прямой, либо на параллельных прямых называются коллинеарными. Нулевой вектор считается коллинеарным любому вектору. Среди коллинеарных векторов различают одинаково направленные (сонаправленные) и противоположно направленные векторы. Векторы называются компланарными, если они лежат либо на одной плоскости, либо на прямых, параллельных одной и той же плоскости.

1. Длина вектора (модуль вектора)

Длина вектора определяет его скалярное значение и зависит от его координат, но не зависит от его направления. Длина вектора (или модуль вектора) вычисляется через арифметический квадратный корень из суммы квадратов координат (компонент) вектора (используется правило вычисления гипотенузы в прямоугольном треугольнике, где сам вектор становится гипотенузой).

Через координаты модуль вектора вычисляется следующим образом:

– для вектора, расположенного в пространстве координат (x,y) и выходящего из начала координат

– для вектора, расположенного в пространстве координат (x,y,z) и выходящего из начала координат, формула будет аналогична формуле диагонали прямоугольного параллелепипеда, так как вектор в пространстве принимает такое же положение относительно осей координат.

2. Угол между векторами

Углом между двумя векторами, отложенными от одной точки, называется кратчайший угол, на который нужно повернуть один из векторов вокруг своего начала до положения второго вектора. Угол между векторами определяется с использованием выражения для определения скалярного произведения векторов

Таким образом, косинус угла между векторами равен отношению скалярного произведения к произведению длин или модулей векторов. Данной формулой можно пользоваться в случае, если известны длины векторов и их скалярное произведение, либо векторы заданы координатами в прямоугольной системе координат на плоскости или в пространстве в виде: и .

Если векторы A и B заданы в трехмерном пространстве и координаты каждого из них заданы в виде: и , то угол между векторами определяется по следующему выражению:

Следует отметить, что угол между векторами и можно также определить применяя теорему косинусов для треугольника: квадрат любой стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними.

где AB, OA, OB – соответствующая сторона треугольника.

Рис.2. Теорема косинусов для треугольника

Применительно к векторным исчислением данная формула перепишется следующим образом:

Таким образом, угол между векторами и определяется по следующему выражению:

где и – модуль (длина) вектора, а – модуль (длина) вектора, который определяется из разности двух векторов. Неизвестные входящие в уравнение определяются по координатам векторов и .

3. Сложение векторов

Сложение двух векторов и (сумма двух векторов) – это операция вычисления вектора , все элементы которого равны попарной сумме соответствующих элементов векторов и . В случае если вектора заданы в прямоугольной системе координат сумму векторов и можно найти по следующей формуле:

В графическом виде, сложение двух свободных векторов можно осуществлять как по правилу треугольника, так и по правилу параллелограмма.

Сложение двух векторов
simenergy.ru

Рис.3. Сложение двух векторов

Сложение двух скользящих векторов определено лишь в случае, когда прямые, на которых они расположены, пересекаются. Сложение двух фиксированных векторов определено лишь в случае, когда они имеют общее начало.

Правило треугольника.

Для сложения двух векторов и по правилу треугольника оба эти вектора переносятся параллельно самим себе так, чтобы начало одного из них совпадало с концом другого. Тогда вектор суммы задаётся третьей стороной образовавшегося треугольника, причём его начало совпадает с началом первого вектора, а конец с концом второго вектора.

Модуль (длину) вектора суммы определяют по теореме косинусов:

где – угол между векторами, когда начало одного совпадает с концом другого.

Правило параллелограмма.

Для сложения двух векторов и по правилу параллелограмма оба эти вектора переносятся параллельно самим себе так, чтобы их начала совпадали. Тогда вектор суммы задаётся диагональю построенного на них параллелограмма, исходящей из их общего начала.

Модуль (длину) вектора суммы определяют по теореме косинусов:

где – угол между векторами выходящими из одной точки.

Примечание:

Как видно, в зависимости от того какой угол выбирается, изменяется знак перед косинусом угла в формуле для определения модуля (длины) вектора суммы.

4. Разность векторов

Разность векторов и (вычитание векторов) – это операция вычисления вектора , все элементы которого равны попарной разности соответствующих элементов векторов и . В случае если вектора заданы в прямоугольной системе координат разность векторов и можно найти по следующей формуле:

В графическом виде, разностью векторов и называется сумма вектора и вектора противоположного вектору , т.е.

Рис.4. Разность двух свободных векторов

Разность двух свободных векторов в графическом виде может быть определена как по правилу треугольника, так и по правилу параллелограмма. Модуль (длина) вектора разности определяется по теореме косинусов. В зависимости от используемого угла в формуле изменяется знак перед косинусом (рассматривалось ранее).

5. Скалярное произведение векторов

Скалярным произведением двух векторов называется действительное число, равное произведению длин умножаемых векторов на косинус угла между ними. Скалярное произведение векторов и обозначается одним из следующих обозначений или или и определяется по формуле:

где– длины векторов и соответственно, а – косинус угла между векторами.

Рис.5. Скалярное произведение двух векторов

Скалярное произведение также можно вычислить через координаты векторов в прямоугольной системе координат на плоскости или в пространстве.

Скалярным произведением двух векторов на плоскости или в трехмерном пространстве в прямоугольной системе координат называется сумма произведений соответствующих координат векторов и .

Таким образом, для векторов и на плоскости в прямоугольной декартовой системе координат формула для вычисления скалярного произведения имеет следующий вид:

Для трехмерного пространства формула для вычисления скалярного произведения векторов и имеет следующий вид:

Свойства скалярного произведения.

1. Свойство коммутативности скалярного произведения

2. Свойство дистрибутивности скалярного произведения

3. Сочетательное свойство скалярного произведения (ассоциативность)

где – произвольное действительное число.

Следует отметить, что в случае:

если скалярное произведение положительно, следовательно, угол между векторами – острый (менее 90 градусов);

если скалярное произведение отрицательно, следовательно, угол между векторами – тупой (больше 90 градусов);

если скалярное произведение равно 0, следовательно, вектора являются ортогональными (которые лежат перпендикулярно друг к другу);

если скалярное произведение равно произведению длин векторов, следовательно, данные векторы коллинеарные между собой (параллельные).

6. Векторное произведение векторов

Векторным произведением двух векторов и называется вектор для которого выполняются следующие условия:

1. вектор ортогонален (перпендикулярен) плоскости векторов и ;

2. направление вектора определяется по правилу правой руки (вектор направлен так, что из конца вектора кратчайший поворот от вектора к вектору виден происходящим против часовой стрелки);

Рис.6. Нахождение направления векторного произведения с помощью правила правой руки.

3. длина вектора равняется площади параллелограмма, образованного векторами, и может быть определена из выражения, равного произведению длин умножаемых векторов на синус угла между ними.

Векторное произведение векторов и обозначается следующим образом (или ), а длина (модуль) векторного произведения определяется по формуле:

где– длины векторов и соответственно, а – синус угла между векторами.

Векторное произведение векторов отличается от скалярного произведения тем, что оно представляет собой не просто число, а вектор, имеющий свое собственное направление (направление обуславливает трехмерность системы). Таким образом, векторное произведение векторов по определению возможно только в трехмерном пространстве, где у каждого вектора указаны три координаты (i,j,k). Векторное произведение не обладает свойствами коммутативности в отличие от скалярного произведения векторов.

Рис.7. Векторное произведение двух векторов

Векторное произведение также можно вычислить через координаты векторов в прямоугольной системе координат в пространстве.

Свойства векторного произведения.

1. Свойство антикоммутативности векторного произведения

2. Свойство дистрибутивности векторного произведения

3. Сочетательное свойство векторного произведения (ассоциативность)

где – произвольное действительное число.

Следует отметить, что в случае:

если векторное произведение равно 0, следовательно, вектора являются коллинеарными (вектора параллельны друг другу);

если векторное произведение равно произведению длин векторов, следовательно, вектора являются ортогональными (которые лежат перпендикулярно друг к другу).

Источник

Содержание:

Векторы
Действия над векторами
Умножение вектора на число
Скалярное произведение векторов
Векторное произведение
Смешенное произведение векторов
Разложение вектора по базису
Действия над векторами, заданными своими координатами
Проекция вектора на ось
Проекции вектора на оси координат
Направляющие косинусы вектора
Разложение вектора по ортам
Действия над векторами, заданными в координатной форме
Вектор – основные определения
Операции над векторами и их свойства
Сформулируем и докажем ещё одну важную для решения некоторых задач теорему.
Координаты вектора
Скалярное произведение векторов и его свойства
Векторы и их решение
Собственные числа и собственные векторы
Векторная алгебра
Векторы: основные определения, линейные операции
Линейные операции над векторами
Умножения вектора на скаляр
Основные свойства проекции вектора на ось
Прямоугольная система координат в пространстве. Координатная и алгебраическая формы задания векторов
Скалярное, векторное, смешанное произведения векторов
Векторное произведение двух векторов
Смешанное произведение векторов, заданных в координатной форме
Простейшие задачи аналитической геометрии
Задача об определении площади треугольника
Задача о деление отрезка в заданном отношении

Векторы

В математике вектором называют величину, которая характеризуется только числом и направлением. Так определённые векторы ещё называют свободными векторами. Примером физических величин, которые имеют векторный характер являются скорость, сила, ускорение. Геометрически вектор — это направленный отрезок, хотя правильней говорить про целый класс направленных отрезков, которые все параллельны между собой, имеют одинаковые длину и направление.

Векторы обозначают малыми латинскими буквами с чертой сверху , или двумя большими латинскими буквами, которые обозначают его начало и конец, например . Длина (модуль) вектора — это длина отрезка, который отвечает данному вектору и обозначается В зависимости от соотношения длин и направлений различают следующие виды векторов:

Действия над векторами

Рассмотрим основные действия, определённые над векторами.

1. Сложение векторов. Суммой векторов называют вектор , который соединяет начало вектора с концом вектора , при условии, что вектор отложен от конца вектора . Такой способ сложения векторов называют правилом треугольника.

Учитывая, что , то найти сумму векторов можно также по так называемым “правилом параллелограмма” (рис. 3)

Вычитание векторов сводится к сложению противоположного вектора

Запишем основные свойства действий сложения векторов:

Заметим, что сумма нескольких векторов находится последовательным сложением двух из них, например:

Геометрически сумма нескольких векторов находится их последовательным отложением один за одним так, чтоб начало следующего совпадало с концом предыдущего. Суммой является вектор, который будет соединять начало первого с концом последнего (рис. 4). Если такая последовательность векторов даёт замкнутую ломаную то суммой векторов является (рис. 5).

Умножение вектора на число

Произведением вектора на число называют вектор , для которого выполняются условия:

а) ;

б) , причём сонаправленные если противоположно направленные, если . Отсюда, очевидно, что необходимым и достаточным условием коллинеарности векторов является соотношение .

Запишем основные свойства действий умножения вектора на число:

Скалярное произведение векторов

Скалярным произведением или векторов и называют выражение , где угол, который образуют векторы. Отметим, что углом между векторами считают угол между их направлениями. Если хотя бы один из векторов равен , то их скалярное произведение считают равным нулю.

Очевидно, что скалярное произведение двух ненулевых векторов будет равно нулю тогда и только тогда когда эти вектора перпендикулярны (ортогональны). Действительно, если . Но , следовательно,

Наоборот, если и согласно определениям

Например, скалярное произведение будет равным

Запишем основные свойства действий скалярного умножения векторов:

Векторное произведение

Векторным произведением двух векторов и называется вектор , который удовлетворяет условия:

1) модуль вектора равен произведению модулей векторов и на синус угла между ними

2) вектор перпендикулярный к плоскости, которая определяется векторами и (рис. 5).

3) вектор направленный так, что кратчайший поворот вектора к вектору видно с конца вектора таким, что происходит против движения стрелки (то есть вектора , и образуют правую упорядоченную тройку, или правый руль).

Модуль векторного произведения равен площади параллелограмма, построенного на векторах и . Векторное произведение выражается формулой , где площадь параллелограмма построенного на векторах и , единичный вектор направления .

Приведём основные свойства векторного произведения:

1) векторное произведение равно нулю, если векторы и коллинеарные, или один из них нулевой;

2) от перестановки местами векторов-сомножителей векторное произведение меняет знак на противоположный: (векторное произведение не имеет свойств перестановки);

3) (распределительный закон);

4) (соединительный закон).

Физическое содержание векторного произведения такое. Если сила, а радиус-вектор точки её приложения, которая имеет начало в точке , то моментом силы относительно точки является вектор, который равен векторному произведению на , то есть .

Смешенное произведение векторов

Смешенным произведением векторов называют скалярное произведение вектора на вектор . Смешенное произведение обозначают (), поэтому по определению имеем

Как результат скалярного произведения векторов и смешенное произведение является скалярной величиной (числом). Геометрически смешенное произведение — это объём параллелепипеда, построенного на эти векторах, взятый со знаком плюс, если векторы образуют правую тройку, и со знаком минус, когда эта тройка левая (рис. 7).

Действительно, , где угол между векторами угол между векторами и .

Объём V параллелепипеда, построенного на векторах равный произведению площади основы S на высоту h.

Однако, знак смешенного произведения совпадает со знаком , то есть он положительный, когда угол острый ( образуют правую тройку векторов) и отрицательный, когда угол тупой ( образуют левую тройку векторов). Поэтому:

Из геометрического содержания смешенного произведения выходит, что

1) смешанное произведение равно нулю тогда и только тогда, когда перемноженные вектора копланарные (условие компланарных векторов);

Учитывая коммутативность скалярного произведения и антикоммутативность векторного, для произвольных векторов имеем

Пример 1.

Доказать, что когда М — точка АВС и О — произвольные точки пространства, то выполняется равенство:

Решение.

Пусть медиана треугольника АВС. По свойствам медиан треугольника Применив к векторам и формулу вычитания векторов

тогда

Пример 2.

У прямоугольного параллелепипеда рёбра , имеют длину 2, 3, 5. Вычислить длины отрезков и и угол между прямыми и .

Решение.

Пусть единичные вектора направленные вдоль рёбер, которые рассматриваются. Тогда (поскольку параллелепипед прямоугольный).

рис. 9.

Далее,

Этим закончен “перевод” условия задачи на “язык” векторов.

Теперь произведём вычисления с векторами:

Наконец “переводим” полученные вектора равенства снова на “геометрический язык”. Поскольку аналогично .

Далее поскольку , где угол между данными векторами то , отсюда получаем . Теперь с помощью тригонометрических таблиц находим значения угла .

Разложение вектора по базису

Базисом на площади называют упорядоченную пару неколлинеарных векторов и точку отсчёта.

Теорема. Любой вектор на плоскости можно разложить по двум неколлинеарным векторам и , то есть представить в виде: .

Доказательство.

Пусть векторы компланарные и векторы и неколлинеарные. От точки О отложим все три вектора и на продолжении векторов и построим параллелограмм ONCM так, чтобы вектор был его диагональю.

Тогда по правилу параллелограмма .

Но , как коллинеарные векторы. Следовательно, вектор.

Числа, которые стоят при базисных векторах в разложении вектора за двумя неколлинеарными векторами называют координатами вектора в данном базисе и обозначают .

Соответственно в пространстве базисом называется упорядоченная тройка некомпланарных векторов и точки отсчёта. Для четырёх некомпланарных векторов справедлива следующая теорема.

Теорема. Любой вектор в пространстве можно разложить по трём некомпланарным векторам , и , то есть представить в виде: .

Доказательство.

От точки О отложим векторы и на продолжении векторов построим параллелограмм

в котором вектор является диагональю. Как видим

Числа х,у,z которые стоят при базисных векторах в разложении вектора по трём некомпланарным векторам называют координатами вектора в пространстве и обозначают . Если базисные вектора взаимно перпендикулярны (их обозначают ), то вместе с точкой отсчёта они образуют декартовую систему координат, а координаты вектора в таком базисе называют декартовыми координатами. В декартовой системе координат разложение вектора будет иметь вид . Если началом вектора является точка , а концом — точка , то координаты вектора вычисляют как разность соответствующих координат точек А и В,

Отсюда легко установить длину вектора как расстояние между двумя точками:

Действия над векторами, заданными своими координатами

1. При сложении двух, или более векторов их соответствующие координаты складываются:

Действительно:

2. При вычитании векторов соответствующие координаты вычитаются:

Доказательство аналогично предыдущему.

3. При умножении вектора на число все координаты умножаются на это число.

Правда, для вектора и числа имеем:

4. Скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений соответствующих координат:

Правда:

Поскольку выполняется Следовательно, мы можем записать

5. Векторное произведение векторов заданных своими координатами вычисляется так:

6. Смешенное произведение трёх векторов равняется:

Пример 1.

Зная координаты векторов , найти координаты векторов .

Решение:

Ответ: .

Пример 2.

Зная координаты векторов вычислить координаты вектора .

Решение.

Ответ: .

Пример 3.

Зная координаты векторов вычислить:

а) скалярное произведение векторов

б) векторное произведение векторов

в) смешенное произведение векторов .

Решение.

Ответ:

На основании приведённых выше формул действий над векторами можно установить следующие условия и соотношения для нулевых векторов

1. Угол между векторами.

2. Условие перпендикулярности двух векторов:

(векторы перпендикулярны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю).

3. Условие коллинеарности двух векторов: (векторы коллинеарные тогда и только тогда, когда соответствующие их координаты пропорциональны).

4. Условие компланарности трёх векторов.

(три вектора компланарны тогда и только тогда, когда их смешенное произведение равно нулю).

5. Деление отрезка АВ в заданном отношении.

Если точка делит отрезок АВ в отношении , то координаты точки М находят по формуле:

Если точка М делит отрезок АВ на пополам то , и координаты точки находят согласно формуле:

Действия над векторами (теория)

а) Произведение вектора на число.
Определение 1. Произведением вектора на число λ называется вектор ,
который имеет длину и направление его совпадает с направлением вектора если λ > 0, и противоположно ему, если λ < 0 (рис.12).

Рис. 12.

Условие (2.6)
является условием коллинеарности двух векторов.

б) Сложение векторов.

Определение 2. Суммой двух векторов и называется вектор , начало которого совпадает с началом вектора , а конец совпадает с концом вектора , при условии, что начало вектора совпадает с концом вектора (правило треугольника) (рис.13).

Рис. 13.

Понятно, что вектор в этом случае является диагональю параллелограмма, построенного на векторах и (правило параллелограмма) (рис.13).
Для векторной суммы справедливый переместительный закон

Легко убедиться, что для векторной суммы имеет место соединительный
закон .
Исходя из определения 2, легко находим сумму, например, четырех векторов (рис. 14).

Рис. 14.
Вектор соединяет начало первого вектора с концом вектора (правило многоугольника).

в) Вычитание векторов.
Действие вычитание векторов можно рассматривать как обратное действие относительно сложения векторов.

Определение. Разностью называется вектор , который в сумме с вектором дает вектор (рис. 15), т.е.

Рис. 15.

Как видно из рис. 15, одна диагональ является суммой , а вторая диагональ является разностью векторов и .
Дадим еще одно определение разности векторов.

Определение. Разностью двух векторов и , которые имеют общее начало, называется вектор , который соединяет концы этих векторов и направлен в сторону уменьшаемого.

Проекция вектора на ось

Пусть имеем произвольную ось l на плоскости и некоторый вектор (рис. 16).

Рис. 16.

Опустим из начала A вектора и из конца B перпендикуляры на ось l. Основаниями перпендикуляров будут точки A₁ и B₁, которые называются проекциями точек A и B.

Величина A₁B₁ называется проекцией вектора на ось l и обозначается , то есть .
Определение 1. Проекцией вектора на ось l называется величина отрезка A₁B₁, взята со знаком плюс, если направление отрезка A₁B₁совпадает с направлением оси l, и с знаком минус, если направления противоположные.

Из точки A проведем прямую, параллельную оси l, которая пересечет отрезок BB₁ в точке C. Вектор образует с осью l угол φ. Величина отрезка AC равна величине отрезка A₁B₁, а тогда из Δ ABC находим
или (2.7)

Определение 2. Проекция вектора на любую ось равна произведению длины этого вектора на косинус угла между осью и вектором.

Если угол φ острый, то проекция — положительное число, а если угол φ тупой, то проекция — отрицательное число.

Свойства проекций.

1. Если векторы и равны, то величины их проекций на одну и ту же ось l также равны, то есть: .
2. Проекция суммы векторов на любую ось равна сумме проекций слагаемых на ту же ось, то есть:

3. Проекция разности двух векторов на ось l равна разности величин проекций на ту же ось, то есть:

4. Если вектор умножен на любое число λ, то величина проекции вектора на ось l также умножится на число λ, то есть:

Проекции вектора на оси координат

Рассматривается прямоугольная система координат Oxyz в пространстве и произвольный вектор .
Пусть
Проекции x, y, z вектора   на координатные оси называют координатами вектора и записывают .
Если заданы две точки A (x₁; y₁; z₁) и B (x₂; y₂; z₂), то координаты вектора  находятся по формулам
x = x₂ – x₁, y = y₂– y₁, z = z₂ – z₁.

Рис. 17

Действительно, проведем через точки A и B плоскости, перпендикулярные оси Ox и обозначим точки их пересечения соответственно A₁ и B₁ (рис.17). Точки A₁ и B₁ имеют на оси Ox координаты x₁и x₂, но на основе формулы (2.1), а потому
x = x₂ – x₁ . Аналогично доказывается, что y = y₂– y₁, z = z₂ – z₁.

Направляющие косинусы вектора

Пусть имеем вектор и будем считать, что он выходит из начала координат и не находится ни в одной координатной плоскости.

Рис. 18

Через точку M проведем плоскости, перпендикулярные к осям координат, и вместе с координатными плоскостями они образуют параллелепипед, диагональ которого — отрезок OM (рис.18). Через α, β, γ обозначим углы, которые образует вектор с осями координат. Величины cos α, cos β, cos γ называются направляющими косинусами вектора . Координаты вектора .

Квадрат диагонали прямоугольного параллелепипеда равна сумме квадратов длин трех его измерений.
Поэтому
или
(2.8)
Формула (2.8) выражает длину вектора через его координаты. Тогда на основе формул (2.7) и (2.8) получим

Отсюда для направляющих косинусов получаем

(2.9)

Для направляющих косинусов справедливо равенство (это вытекает из (2.9)).

Разложение вектора по ортам

Рассмотрим прямоугольную систему координат в пространстве и вектор, начало которого в точке O (рис.19) .

Рис. 19.

Обозначим орты осей координат Ox, Oy, Oz соответственно через , причем

Спроецируем вектор на координатные оси (через точку M проведем плоскости, перпендикулярные координатным осям). Проекциями точки M на координатные оси будут соответственно точки А, В, С (рис.19).

Из прямоугольника ODMC видно, что вектор , но из прямоугольника AOBD получаем, что вектор  .
Тогда
(2.10)
Вектор , который соединяет точку O с точкой M (x, y, z) называется радиусом-вектором этой точки.
Векторы называются составными или компонентами вектора , а их величины OA = x, OB = y, OC = z  координатами этого вектора. Компоненты вектора выразим через его координаты и единичные векторы , а именно .
Подставляя эти значения в равенство (2.10), учитывая, что  , получим
(2.11)

Слагаемые являются составными или компонентами вектора .
Тройка векторов называется координатным базисом, а разложение (2.11) называется разложением вектора по базису . Это основная формула векторной алгебры.

Пример 1. Построить вектор .

Рис. 20.

Решение. Компоненты вектора являются и , и им
соответствует прямоугольный параллелепипед, диагональ которого является искомый вектор (рис. 20).

Действия над векторами, заданными в координатной форме

Если векторы заданы в координатной форме, то действия сложения, вычитания, умножения вектора на число можно заменить простыми арифметическими операциями над координатами этих векторов по таким правилам.

Правило 1. При сложении векторов их одноименные координаты складываются

Пусть имеем векторы и . Найдем . Запишем разложение векторов и . Тогда .
Сложив эти равенства, получим
.
Итак, координаты вектора будут

Правило 2. Чтобы отнять от вектора вектор нужно вычесть из координат вектора соответствующие координаты вектора , то есть

Правило 3. Чтобы умножить вектор   на число λ, нужно каждую из его координат умножить на это число. То есть, если
то  .
Пример 1. Найти вектор  , если
Решение. Выполним действия последовательно и найдем

.
Значит,

Вектор – основные определения

Определение вектора в пространстве ничем не отличается от определения вектора на плоскости.

Определение 1. Вектором называется направленный отрезок, т.е. отрезок, для которого указано, какая из его граничных точек является началом, а какая — концом.

Так же как и на плоскости, векторы обозначаются и т. п. и на чертеже изображаются стрелкой.

Определение 2. Длиной (или модулем) вектора называется длина отрезка а направление, определяемое лучом называется направлением вектора

Длина вектора обозначается длина вектора обозначается

Любая точка пространства также считается вектором, который называется нулевым. Начало такого вектора совпадает с его концом, а длина равна нулю. Обозначения нулевого вектора:

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по высшей математике:

Определение 3. Векторы и называются коллинеарными, если они лежат на одной прямой или на параллельных прямых.

Если ненулевые векторы и лежат на параллельных прямых (следовательно, в одной плоскости), причём лучи лежат в одной полуплоскости, границей которой является прямая то векторы и называются сонаправленными в случае же, когда эти векторы принадлежат одной прямой, они называются сонаправленными, если один из лучей или целиком содержится в другом. Нулевой вектор будем считать сонаправленным с любым вектором в пространстве.

Ясно, что сонаправленные векторы, в силу их определения, коллинеарны. Если два коллинеарных вектора не сонаправлены, то они называются противоположно направленными. Обозначения остаются обычными: (векторы и сонаправлены), (векторы и противоположно направлены).

Определение 4. Векторы и называются равными, если и (т.е. если векторы сонаправлены и их длины равны).

Теорема 1. От любой тонки пространства можно отложить вектор, равный данному, и притом только один.

Доказательство этой теоремы аналогично доказательству соответствующей планиметрической теоремы.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Операции над векторами и их свойства

Операции над векторами в пространстве аналогичны соответствующим операциям на плоскости.

Пусть даны два вектора и В силу теоремы 1 от произвольной точки пространства можно отложить вектор а от точки — вектор Тогда вектор называется по определению суммой векторов и а описанное правило построения суммы двух векторов — правилом треугольника (рис. 1).

Теорема 2. Сумма векторов и не зависит от выбора точки от которой при сложении откладывается вектор (Докажите эту теорему самостоятельно.)

Правило треугольника можно сформулировать и так: для любых трёх точек пространства выполняется равенство

Кроме того, сумму двух неколлинеарных векторов с общим началом можно построить и по правилу параллелограмма: где — вектор, модуль которого_равен длине диагонали параллелограмма, построенного на векторах причём вектор откладывают от той же точки, что и векторы (рис. 2).

Все свойства операции сложения векторов, справедливые на плоскости, остаются справедливыми и в пространстве:

2) — коммутативность (переместительный закон);

3) — ассоциативность (сочетательный закон).

Здесь — произвольные векторы в пространстве.

Определение 5. Два ненулевых вектора называются противоположными, если их длины равны и эти векторы противоположно направлены.

Вектор, противоположный данному ненулевому вектору обозначается

Определение 6. Разностью двух векторов и называется вектор такой, что его сумма с вектором равна вектору

Разность векторов и обозначается Таким образом, по определению если

Разность векторов и можно найти по формуле (рис. 3) (докажите эту формулу самостоятельно). Замечание. Так же как и на плоскости, для сложения нескольких векторов в пространстве можно использовать правило многоугольника (рис. 4), только в последнем случае этот многоугольник будет пространственным (т.е. не все векторы, его составляющие, лежат в одной плоскости).

Из законов сложения векторов следует, что сумма нескольких векторов не зависит от порядка слагаемых.

Умножение (произведение) вектора на число и его свойства, так же как и свойства операции сложения, не претерпевают изменений и в пространстве.

Определение 7. Произведением ненулевого вектора на действительное число называется вектор длина которого равна произведению длины вектора на модуль числа причём вектор сонаправлен с вектором при и противоположно направлен вектору при

Таким образом, по определению, если причём при Ясно, что векторы коллинеарны. Если же или то

Свойства умножения вектора на число не отличаются от аналогичных свойств на плоскости:

— ассоциативность (сочетательный закон);
—дистрибутивность относительно сложения векторов (1-й распределительный закон);
— дистрибутивность относительно сложения чисел (2-й распределительный закон).

Здесь и — произвольные векторы, — произвольные действительные числа.

Справедлива также и лемма о коллинеарных векторах: если векторы и коллинеарны и то существует такое действительное число

что (ясно, что если

Сформулируем и докажем ещё одну важную для решения некоторых задач теорему.

Теорема 3. Пусть где — некоторое действительное число, отличное от -1, тогда точки принадлежат одной прямой. Для произвольной точки пространства справедливо равенство:

Доказательство

1. Из равенства следует, что векторы коллинеарны, и так как — общая точка прямых и эти прямые совпадают, поэтому точки принадлежат одной прямой.

2. Пусть — произвольная точка пространства. Тогда и поскольку откуда Поделив обе части последнего равенства на приходим к формуле (1). Теорема доказана.

З. Компланарные и некомпланарные векторы

Следующее понятие уже не имеет аналога в планиметрии.

Определение 8. Векторы называются компланарными, если лучи, задающие их направления, параллельны некоторой плоскости.

Замечание. Из определения 8 следует, что при откладывании от одной точки векторов, равных нескольким данным компланарным векторам, получим векторы, лежащие в одной плоскости. Таким образом, компланарные векторы лежат либо в одной плоскости, либо в параллельных плоскостях.

Очевидно, что любые два вектора компланарны и любые три вектора, два из которых коллинеарны, также являются компланарными (поясните). Рассмотрим теперь условия, при которых три вектора, из которых никакие два не коллинеарны, являются компланарными.

Теорема 4. Векторы из которых никакие два не коллинеарны, являются компланарными в том и только том случае, если существуют такие действительные числа и что

(иными словами, векторы являются компланарными в том и только том случае, если один из них можно выразить через два других, или, как говорят, разложить по двум другим).

Доказательство

1. Пусть векторы компланарны. Докажем, что для них имеет место равенство (5). Отложим от произвольной

точки векторы Векторы лежат в одной плоскости (см. замечание). Проведём через точку прямую до пересечения с прямой в точке и прямую до пересечения с прямой в точке (см. рис. 8). Так как векторы коллинеарны, по лемме о коллинеарных векторах (см. §1.2) существуют такие действительные числа и что Но по правилу параллелограмма откуда Обратно, пусть выполнено равенство (5).

Докажем, что векторы компланарны. Векторы при откладывании от одной точки определяют некоторую плоскость. Согласно правилу параллелограмма и равенству (5) вектор принадлежит той же плоскости, откуда следует, что векторы и а значит, и векторы компланарны. Теорема доказана.

Отложим от произвольной точки пространства векторы где — три данных некомпланарных вектора, и рассмотрим параллелепипед построенный на векторах (рис. 9). Тогда сумму векторов можно найти следующим образом: Это правило сложения трёх некомпланарных векторов называется правилом параллелепипеда.

Если векторы не являются компланарными и для вектора имеет место равенство где — некоторые действительные числа, то говорят, что вектор разложен по трём некомпланарным векторам

а числа называются коэффициентами разложения.

Следующая теорема, называемая теоремой о разложении вектора по трём некомпланарным векторам, является основной во всей элементарной (школьной) векторной алгебре.

Теорема 5. Любой вектор пространства можно разложить по трём данным некомпланарным векторам причём коэффициенты разложения определятся единственным образом. Доказательство. 1. Если векторы и коллинеарны, то и теорема доказана.

2. Пусть векторы и не коллинеарны. Отложим от произвольной точки пространства векторы (рис. 10). Проведём через точку прямую до пересечения с плоскостью в точке Через точку в плоскости проведём прямую до пересечения с прямой в точке (в частности, если то точка совпадает с точкой Согласно правилу многоугольника но векторы по построению коллинеарны, поэтому в силу леммы о коллинеарных векторах где — некоторые действительные числа Таким образом, учитывая, что приходим к равенству

3. Докажем теперь, что разложение вектора по данным векторам единственно. Допустим, что это не так, т.е. существует ещё одно разложение в котором хотя бы один коэффициент не равен соответствующему коэффициенту в полученном нами разложении. Пусть, например, Вычтем последнее равенство из предпоследнего.

Тогда отсюда – т. е. векторы компланарны, что противоречит условию теоремы. Значит, наше допущение о ещё одном разложении неверно, т.е. разложение вектора по данным векторам единственно. Теорема доказана.

Итак, любой вектор пространства можно разложить по трём данным некомпланарным векторам причём единственным образом. Заданную тройку некомпланарных векторов называют базисом, сами векторы — базисными векторами, а разложение вектора по векторам называют разложением по данному базису

Координаты вектора

Так же как и на плоскости, в пространстве помимо координат точки вводятся координаты вектора. Рассмотрим три попарно перпендикулярных вектора отложенных от некоторой точки пространства, таких, что (например, их можно направить по рёбрам единичного куба). Эти векторы, очевидно, не являются компланарными. Поэтому, в силу теоремы 5, любой вектор можно разложить_по векторам причём единственным образом: Введём прямоугольную систему координат с началом в точке так, чтобы направления осей совпали_с направлениями векторов соответственно. Тогда векторы называются единичными векторами осей координат, а числа — координатами вектора в системе координат (обозначения:

Свойства векторов пространства, заданных своими координатами, аналогичны соответствующим свойствам векторов на плоскости:

Два вектора равны в том и только том случае, если равны их координаты.
Координаты суммы (разности) двух векторов равны суммам (разностям) соответствующих координат этих векторов, т.е. для векторов получаем
При умножении вектора на число каждая его координата умножается на это число, т.е. для вектора и действительного числа получаем

Докажем, например, свойство 2. Так как то, согласно свойствам сложения векторов и умножения вектора на число, т. е. вектор имеет координаты что и требовалось доказать. Остальные свойства доказываются аналогично.

Скалярное произведение векторов и его свойства

Определение скалярного произведения векторов и в пространстве ничем не отличается от аналогичного определения для векторов на плоскости.

Определение 11. Скалярным произведением векторов называется произведение длин этих векторов на косинус угла между ними (обозначение: Таким образом, по определению,

Теорема 8. Два ненулевых вектора взаимно перпендикулярны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю, т. е.

Доказательство этой теоремы вытекает из формулы (9).

Определение 12. Скалярным квадратом вектора называется скалярное произведение Скалярный квадрат обозначается т.е. по определению

Так как то

Таким образом, длина вектора равна квадратному корню из его скалярного квадрата.

Замечание. Скалярное произведение есть число, поэтому грубой ошибкой явилась бы запись:

Если векторы и заданы своими координатами: то скалярное произведение может быть выражено через их координаты.

Теорема 9. Скалярное произведение векторов равно сумме произведений их соответственных координат, т. е.

Доказательство. Отложим от произвольной точки пространства векторы При этом, как мы знаем, соответствующие координаты векторов и а также и будут равны, а угол По теореме косинусов для треугольника получим

итак как имеем откуда Но

поэтому

Решение любой геометрической задачи на вычисление сводится, в сущности, к нахождению величин двух типов: расстояний и углов. Если в пространстве задан некоторый базис (в частности, прямоугольный), т. е. тройка некомпланарных векторов, то на основании теоремы 5 любой вектор пространства можно разложить по векторам этого базиса, причём единственным образом.

Если известны длины векторов, образующих базис, углы между ними и разложение некоторого вектора по векторам этого базиса, то, используя свойства скалярного произведения, можно определить длину такого вектора и угол, образуемый им с любым другим вектором, разложение которого по векторам этого базиса известно.

Таким образом, векторы позволяют находить решения довольно широкого класса геометрических задач, а умение определять разложение вектора по базисным векторам является важнейшим фактором их решения.

Для решения задач о разложении вектора по трём данным некомпланарным векторам, разумеется, необходимо, помимо теоремы 5, знание предшествующего ей материала.

Примеры с решением

Задача 1.

Основанием четырёхугольной пирамиды является параллелограмм Точки и — середины рёбер и соответственно. Найдите разложение векторов по векторам

Решение (см. рис. 14).

1. но поэтому

2. Так как — середина но (см. следствие 1 теоремы 3), поэтому

Ответ:

Заметим, что в разложении вектора по векторам коэффициент разложения при векторе равен нулю, а это означает, в силу теоремы 4, что векторы компланарны. Если заранее «увидеть», что где — середина (отсюда то разложение вектора можно было бы найти проще. Но векторный метод тем и хорош, что, даже не обладая развитым пространственным воображением, а лишь зная основные определения и теоремы, можно получить правильный ответ (пусть и не всегда самым оптимальным путём)!

Задача 2.

Пусть — точка пересечения медиан треугольника — произвольная точка пространства. Найдите разложение вектора по векторам

Решение (см. рис. 15). Пусть — середина ребра Так как — точка пересечения медиан треугольника точки принадлежат одной прямой, причём, в силу теоремы о точке пересечения медиан треугольника, Согласно следствию I теоремы 3 Тогда

Ответ:

Векторы и их решение

Вектором называется направленный отрезок. Направление отрезка показывается стрелкой. Различают начало и конец отрезка.

Два вектора называются равными между собой, если каждый из них можно получить параллельными перенесениями другого.

Равные векторы являются параллельными (колинеарными), имеют одно и то же направление и одинаковую длину. Длина вектора называется абсолютной величиной или модулем вектора и обозначается

Вектор называется нулевым (ноль- вектором), если он имеет нулевую длину, то есть его конец сходится с началом.

Чтобы найти сумму двух векторов и совместим начало вектора с концом вектора .

Суммой векторов и называется вектор, начало которого сходится с началом вектора , а конец – с концом вектора (рис. 1.1).

Правило треугольника

Правило параллелограмма

Для складывания векторов имеют место такие законы:

1) переставной (коммутативный)

2) связующий

3) для каждого вектора существует противоположный такой, что

5) для некоторых двух векторов и выполняются неравенства:

Если вектор образует угол с осью (рис. 1.2), то проекцию вектора на ость называется величина

Пусть вектор имеет начало в точке а конец – в точке Тогда величины являются проекциями вектора на оси Проекции вектора однозначно определяют вектор. Потому имеет место равенство

Если вектор то проекция суммы векторов

Произведением вектора на число называется вектор длина которого равна Умножение вектора на число имеет свойство ассоциативности и дистрибутивности, то есть для произвольных чисел и векторов и справедливы равенства:

Любой вектор можно записать в виде

где – единичные векторы, называются компонентами вектора (рис. 1.3) .

Пример 1.73

Даны два вектора: и

Найти вектор

Решение

Признаком колинеарности двух векторов и является пропорциональность их координат:

Скалярным произведением двух векторов и называется число которое равно произведению их модулей на косинус угла между ними:

Скалярное произведение можно записать в таком виде:

Если векторы и заданы своими координатами, то их скалярное произведение вычисляется по формуле:

Учитывая формулы (1.18) и (1.19), можно найти косинус угла между векторами и :

Отсюда получается условие перпендикулярности двух векторов: если и или в координатной форме:

Среди свойств скалярного произведения отметим так:

Векторным произведением вектора на вектор называется вектор который имеет такие свойства:

1) длина вектора равна произведению длин сомножителей на синус угла между ними:

2) вектор перпендикулярный к векторам и

3) из конца вектора кратчайший поворот от к является таким, что происходит против часовой стрелки (рис. 1.4).

Заметим, что а модуль векторного произведения равен плоскости параллелограмма, построенного на векторах и , если у них общее начало.

В координатной форме векторное произведение векторов и можно записать в виде:

Смешанным или скалярно – векторным произведением трех векторов называется векторное произведение векторов и , скалярно умноженный на вектор то есть

Если векторы – компланарны, то есть расположены в одной плоскости или на параллельных плоскостях, то их смешанное произведение равно нулю.

Если известные координаты сомножителей то смешанное произведение вычисляется по формуле:

Если три ненулевых разложены в одной плоскости (компланарны), то из смешанное произведение

Следует, в координатной форме условие компланарности трех ненулевых векторов имеет вид:

Решение примеров:

Пример 1.74

Заданы координатами точек и Найти:

1) вектор если

2) угол между векторами и

3) координаты вектора

4) объем пирамиды с вершинами в точках

Решение

1) По формуле (1.14) находим

тогда

2) Косинус угла между векторами и вычислим по формуле (1.20):

Поскольку косинус угла отрицательный, то угол тупой.

3) Координаты векторного произведения находим по формуле (1.22):

4) Чтобы найти объем пирамиды, найдем сначала смешанное произведение векторов, что выходят из одной вершины пирамиды:

Тогда объем пирамиды

Собственные числа и собственные векторы

Вектор – столбец называется собственным вектором квадратной матрицы – ого порядка, что соответствует собственному значению если он удовлетворяют матричному уравнению или

Тут – единичная матрица – ого порядка, а – нулевой вектор – столбец. При условии, что получим характеристическое уравнение для определения собственных значений

Координаты собственного вектора что соответствуют собственному значению является решением системы уравнений:

Собственный вектор обозначаются с точностью к постоянному множителю.

Решение примеров:

Пример 1.90.

Обозначить собственные определения и собственные векторы матрицы

Решение. Характеристические уравнения данной матрицы имеет вид (1.24):

или

отсюда получается, что матрица имеет два собственных значения и Собственный вектор что соответствует обозначаются с системой уравнений вида (1.25)

или

которое приводится к одному уравнению

Возьмем получим решение в виде

Следует, первый собственный вектор является

Второй вектор что соответствует собственному значению определяется из системы уравнений вида (1.25)

Эта система уравнений так же приводится к одному уравнению положив запишем ее решение в виде Следует, второй собственный вектор:

Таким образом, матрица имеет два разных определения и и два собственных вектора, равных и (с точностью к постоянному множителю).

Пример 1.91

Найти собственные векторы и собственные значения матрицы

Решение. Характеристическое уравнение

Раскрыв определитель получим:

Корень – кратный, показатель кратности корень – простой,

Система уравнений для определения собственных векторов имеет вид:

Последовательно подставим и в записанную систему:

Фундаментальная система уравнений получается, если свободным переменным последовательно дать значения

Получили два линейно независимые собственные векторы. Вся совокупность векторов, что соответствуют собственному значению имеет вид:

Фундаментальная система решений получается, если взять

Векторная алгебра

Понятие «вектор» (от лат. vector – носитель), как отрезка, имеет определенную длину и определенное направление, впервые появилось в работах по построению числовых систем в ирландского математика Уильяма Гамильтона (1805-1865). Это понятие связано с объектами, которые характеризуются величиной и направлением, например, скорость, сила, ускорение. При этом скорость можно понимать в широком смысле: скорость изменения издержек производства, доходов, спроса, потребления и предложения и др. Вектор может указывать направление наибольшего возрастания или убывания функции, описывающей различные экономические процессы. Векторы, рассмотренные в данном разделе, является частным случаем -мерных векторов: они предполагают геометрическую интерпретацию, потому что принадлежат к векторным линейных пространств размерности

Для графического изображения решения экономических задач на плоскости и в пространстве применяются средства аналитической геометрии. Аналитическая геометрия – математическая наука, объектом изучения которой являются геометрические фигуры, а предметом – установление их свойств средствами алгебры с помощью координатного метода. Теоретической базой этой науки является частично известна из школы векторная алгебра.

Основателем метода координат и, вместе с тем, аналитической геометрии является Рене Декарт (1596-1650) – французский философ, математик, физик и физиолог. Его именем и названа известная «декартова прямоугольная система координат», которая позволяет определить положение фигуры на плоскости и тела в пространстве.

После изучения данной темы вы сможете:

● использовать инструмент векторной алгебры для геометрического изображения и анализа объектов экономических процессов;
● применять уравнение прямой линии на плоскости для геометрической интерпретации зависимости между функциональному признаку и аргументом, что на нее влияет;
● применять уравнение кривых второго порядка при построении нелинейных математических моделей экономических задач;
● осуществлять геометрическую интерпретацию решений экономических задач с помощью поверхностей и плоскостей.

Векторы: основные определения, линейные операции

Выберем на произвольной прямой (в или в ) отрезок и укажем, которую из точек или считать начальной (началом отрезка), а какую – конечной (концом отрезка). Конец отрезка обозначают стрелке и говорят, что на отрезке задано направление. Отрезок с заданным на нем направлением, или коротко – направленный отрезок, называется вектором. Вектор обозначается символом или строчными буквами латинского
алфавита с чертой: и др. (Рис. 6.1).

Рис. 6.1

В применимых задачах естественных наук существенным является обстоятельство – где, в какой точке находится начало вектора. Например, результат действия силы зависит не только от ее величины и направления действия, но и от того, в какой точке она прикладывается.

Вектор, для которого фиксированная (не фиксирована) начальная точка называется связанным (свободным). Векторы, которые применяются в экономических задачах, как правило, не являются связанными, поэтому в дальнейшем будем рассматривать преимущественно свободные векторы

Длиной, или модулем, вектора называется длина соответствующего отрезка и обозначается одним из символов:

Нулевым вектором 0, или ноль-вектором, называется вектор, длина которого равна нулю, а направление его считается произвольным (неопределенным).

Единичным вектором называется вектор, длина которого равна единице.

Равными векторами называются векторы, которые принадлежат одной прямой или параллельным прямым, одинаково направлены и имеют равные длины.

Взаимно противоположными называются векторы, которые принадлежат одной прямой или параллельным прямым, имеют равные длины, но противоположно направлены. Вектор, противоположный вектору , обозначают символом .

Коллинеарными называют векторы, которые принадлежат одной прямой или параллельным прямым.

Компланарными называются векторы, которые принадлежат одной плоскости или параллельным плоскостям.

Линейные операции над векторами

Будем считать, что векторы принадлежат одни плоскости. Осуществляя параллельный перенос одного из векторов , совместим начало вектора с концом вектора (или наоборот) и по отрезками, соответствующие векторам, как по двум сторонам, построим треугольник (рис. 6.2 а).

1. Суммой векторов называется вектор , который определяется третьей стороной треугольника, с началом в начале вектора . Порядок построения суммы двух векторов по этому определению называют правилом треугольника.

Параллельный перенос можно осуществить и так, что объединятся начала векторов и , тогда на векторах как на сторонах построим параллелограмм (рис. 6.2 б), и придем к известному из школьного курса алгебры правилу параллелограмма.

Рис. 6.2

Правило треугольника обобщается на произвольное конечное число векторов. Если параллельным переносом расположить векторы так, что конец предыдущего вектора (начиная с первого) является началом следующего, то результирующим будет вектор, соединяющий начало первого вектора слагаемого с концом последнего (рис. 6.3):

Рис. 6.3

Соответствующее правило называют правилом многоугольника.
Свойства суммы векторов:
1) переставная, или коммутативна:

2) соединительная, или ассоциативная:

Разницу можно рассматривать как сумму вектора с вектором, противоположным вектору

Умножения вектора на скаляр

Пусть – некоторое действительное число . Произведением вектора со скаляром называется вектор , модуль которого равен произведению модулей , а направление совпадает с направлением , если , или противоположно направлению , если (рис. 6.4):

Рис. 6.4

При вектор превращается в ноль-вектор .
Свойства умножения вектора на скаляр:
1) переставной или коммутативных закон:

где

2) соединительный, или ассоциативный закон:

где

3) распределительный или дистрибутивный закон:

где

Из определения умножения вектора на скаляр следует необходимое и достаточное условие коллинеарности двух векторов: вектора и коллинеарны тогда и только тогда, когда каждый из них является произведением другого из скаляром:

Известно, что три ненулевые векторы и компланарны тогда и только тогда, когда один из них является линейной комбинацией двух других:

компланарны

Рассмотрим понятие, имеет очень важное значение в теории векторов – проекции вектора на ось (прямую, имеет направление; заданное направление считать положительным, противоположное направление – отрицательным).

Компонентой вектора относительно оси называют вектор, начало которого является проекцией начала вектора на ось , а конец – проекцией конца вектора на ось (рис. 6.5).

Рис. 6.5

Проекцией вектора на ось называют скаляр, равный длине компоненты вектора относительно оси со знаком , если направление компоненты совпадает с направлением оси , или со знаком , если ее направление противоположно направлению оси:

Основные свойства проекции вектора на ось

1. Проекция вектора на ось равна произведению длины вектора с косинусом угла между вектором и осью:

2. Проекция суммы двух векторов на эту ось равна сумме их проекций на эту ось:

Это свойство обобщается на любое конечное число векторов.

3. Проекция на ось произведения вектора со скаляром равна произведению со скаляром проекции самого вектора на ось:

Прямоугольная система координат в пространстве. Координатная и алгебраическая формы задания векторов

Пусть в трехмерном векторном пространстве задана прямоугольная декартова система координат , что определяется тремя взаимно перпендикулярными числовыми осями – осями, на которых указано масштаб (единицу длины) – с общей точкой – началом координат (рис. 6.6).

Рис. 6.6

Выберем в пространстве произвольную точку и соединим ее отрезком прямой с началом координат . Вектор , началом которого является начало координат , а концом данная точка , называется радиусом-вектором точки . Отметим, что радиусы-векторы точек пространства являются связанными векторами.

Под декартовыми прямоугольными координатами точки понимают проекции ее радиус-вектора на оси

Точка с координатами обозначается через . Вектор каждой точки пространства (кроме точки ) определяет прямоугольный параллелепипед с диагональю, что является отрезком, на котором построено вектор (рис. 6.6).

Измерениями параллелепипеда есть модули координат точки . Длина диагонали параллелепипеда определяется по формуле:

Углы , которые образованы радиусом-вектором с координатными осями называются его направляющими углами.

откуда:

Косинусы направляющих углов называются направляющими косинусами радиус-вектора . С (6.4) получаем свойства:
1) направляющие косинусы являются координатами единичного радиус-вектора:

2) сумма квадратов направляющих косинусов вектора равна единице:

Понятие «координата», «направляющие углы», «направляющие косинусы» без изменений переносятся на любые свободные векторы, потому начало каждого из них параллельным переносом можно поместить в начало , дает радиус вектор определенной точки.

Координатами любого вектора в пространстве называются его проекции на оси координат. Они обозначаются символами и пишут: или , где согласно определению координат:

Задача вектора тройкой его координат , называют координатной формой задачи.

Для единичных векторов , расположенных соответственно на осям , имеем:

Длина произвольного вектора и его направляющие косинусы вычисляются по формулам:

Найти длину и направляющие косинусы вектора

По формулам (6.5) имеем:

Установим связь между координатами вектора – числами – и его компонентами – векторами – с помощью единичных векторов (рис. 6.7).

Рис. 6.7

Компонентами вектора относительно координатных осей являются векторы (рис. 6.7). Согласно операции сложения векторов по правилу многоугольника получаем:

Следовательно, любой вектор в трехмерном пространстве является суммой трех его компонент относительно координатных осей:

Изображение вектора с в виде суммы произведений координат с единичными векторами (ортами) называют алгебраической формой задания вектора.

Согласно свойствами операций над векторами, алгебраическая форма задания дает возможность установить результаты действий над векторами, заданными в координатной форме.
1. При добавлении (вычитании) двух векторов с : и , их соответствующие по номеру координаты прилагаются (вычитаются):

Действительно, по свойствам ассоциативности и дистрибутивности имеем:

2. При умножении вектора на скаляр все его координаты умножаются на этот скаляр:

Действительно, согласно распределительным свойствам умножения скаляра на сумму векторов имеем:

Скалярное, векторное, смешанное произведения векторов

Скалярным произведением двух векторов и называется число (скаляр), равное произведению их модулей с косинус угла между ними и обозначается :

Вместо часто пишут или используют обозначения . Название этой операции согласуется с ее сути, а именно: скалярное произведение является скаляром, то есть числом.

Для определения угла между векторами и совмещают их начала и рассматривают угол между двумя лучами и (рис. 6.8). Если угол острый, то , если тупой, то .

Основные свойства скалярного произведения векторов вытекают из его определения (6.7).

1. Скалярное произведение ненулевых векторов равно нулю тогда и только тогда, когда векторы взаимно перпендикулярны (ортогональные):

2. Скалярный квадрат вектора равен квадрату его модуля, то есть

3. Скалярное произведение подчиняется всем законам арифметики чисел относительно линейных операций:

4. Скалярное произведение двух векторов равно произведению модуля одного из них с проекцией второго на ось, направление которого определяется первым вектором:

Доказательство этого свойства основывается на определении (6.3).

Скалярное произведение векторов и , заданных в координатной форме. Пусть имеем два вектора

1. Вычислим скалярные произведения единичных векторов По свойству Для других пар на основании свойства 1 имеем:

2. Находим произведение , подавая векторы в алгебраической форме (6.6) и используя распределительный закон:

Раскрываем скобки и получаем:

Скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений одноименных координат. Это полностью совпадает с определением скалярного произведения -мерных векторов.

Как следствие из (6.12) при получаем формулу (6.5) модуля вектора через его координаты:

Определим угол между двумя ненулевыми векторами и , заданные в координатной форме. Воспользуемся определением скалярного произведения (6.7) и соотношения (6.5). В результате получаем:

Следовательно, косинус угла между двумя векторами определяется формулой:

Отсюда

В результате с соотношением (6.13) получим критерий ортогональности двух векторов, заданных в координатной форме:

Критерием коллинеарности векторов и , заданных в координатной форме является пропорциональность их координат:

Векторное произведение двух векторов

Пусть и – векторы пространства , определяющие некоторую плоскость . Вектор называется векторным произведением векторов и , если вектор удовлетворяет условиям:

1) модуль его численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах и как на сторонах;
2) он перпендикулярный плоскости параллелограмма и направленный так, что поворот вектора до совмещения с вектором кратчайшим путем наблюдается с конца вектора против часовой стрелки (рис. 6.9).

Рис. 6.9

Векторное произведение обозначается символами: , или

Следовательно,

где наименьший из углов что соответствует совмещению с поворотом вектора против часовой стрелки.

Основные свойства векторного произведения вытекают из его определения.
1. Векторное произведение ненулевых векторов равно ноль-вектору тогда и только тогда, когда векторы и коллинеарны:

Еще одним критерием коллинеарности векторов является равенство нулевому вектору их векторного произведения.

2. Векторные произведения с разным порядком сомножителей являются взаимно противоположными векторами:

Это означает, что векторное произведение не подчиняется переставному (коммутативному) закону.

3. Векторное произведение подчиняется ассоциативному закону относительно скалярного множителя и дистрибутивному закону относительно сложения:

где

Векторное произведение векторов и , заданных в координатной форме. Пусть имеем два ненулевые векторы:

1. Определяем векторные произведения ортов (рис. 6.10).

Векторное произведение одноименных векторов по свойству 1 дает ноль вектор:

Однако все векторные произведения разноименных единичных векторов будут давать единичные векторы:

Рис. 6.10

Рассмотрим, например, произведение . Совмещение с кратчайшим путем (указано дугой со стрелкой на рис. 6.10) происходит против часовой стрелки, если смотреть с конца вектора , следовательно, . Тогда по свойству

2. Находим произведение , подавая векторы в алгебраической форме и используя арифметические свойства (6.18) и соотношения (6.19):

Множители при это вскрытые определители 2-го порядка, поэтому

Коэффициенты при единичных векторах в соотношении (6.20) являются координатами вектора как векторного произведения векторов и .

Если символы в соотношении (6.20) считать элементами первой строки определителя 3-го порядка, то окончательно получим представление в виде определителя:

Найдем векторное произведение векторов и

Модуль векторного произведения определяет площадь параллелограмма, построенного на векторах и

Смешанным произведением трех векторов и называется векторное произведение двух из них, умножен скалярно на третий вектор, то есть и т. д.

Смешанное произведение можно обозначать тройкой векторов , в которой первые два элемента считают связанными векторным произведением, а результат векторного произведения умножают на третий вектор скалярно, то есть – это все равно, что . Понятно, что результатом смешанного произведения является скаляр, поскольку векторное произведение является вектором (обозначим его через ), а произведение дает скаляр.

Геометрическая интерпретация смешанного произведения. Пусть и – некомпланарные векторы. Построим на этих векторах как на ребрах параллелепипед (рис. 6.11).

Рис. 6.11

Вектор по длине численно равна площади параллелограмма, построенного на векторах и как на сторонах. Этот параллелограмм является основой параллелепипеда, построенного на векторах и . Вектор является перпендикулярным плоскости параллелограмма.

Согласно (6.11) скалярное произведение можно представить как произведение модуля и проекции вектора на ось, определяется вектором :

где , причем является положительным числом, если угол между векторами и острый, и отрицательным, если этот угол тупой. По модулю эта проекция равна высоте параллелепипеда .

Модуль смешанного произведения трех векторов численно равен объему параллелепипеда , построенного на векторах как на ребрах:

Основные свойства смешанного произведения вытекают из его определения и геометрической интерпретации.
1. Смешанное произведение ненулевых векторов равно нулю, если по крайней мере два из трех векторов коллинеарны или все три – компланарны, и наоборот.

Необходимым и достаточным условием компланарности трех ненулевых векторов является равенство нулю их смешанного произведения:

компланарны

Свяжем с изображенными на плоскости векторами круг (рис. 6.12). Перечисление векторов, начиная с любого, против часовой стрелки назовем положительным, или циклическим, перестановкой векторов, в противном случае – отрицательной перестановкой.

2. Циклическая перестановка трех сомножителей смешанного произведения не меняет его величины, а отрицательное перестановки меняет его знак на противоположный:

Смешанное произведение векторов, заданных в координатной форме

Пусть имеем три ненулевые векторы По определению смешанного произведения и представлением векторного и скалярного произведений в координатной форме имеем:

Полученная сумма произведений является расписанием определителя 3-го порядка, составленный из координат векторов, по элементам его третьей строки, то есть:

Векторы компланарны тогда и только тогда, когда определитель 3-го порядка, элементами строк которого являются координаты этих векторов равен нулю (свойство 1):

компланарны

С помощью смешанного произведения векторов легко определить, относятся ли четыре точки одной плоскости. Для этого следует проверить выполнение условия компланарности трех векторов с общим началом в одной из точек.

Простейшие задачи аналитической геометрии

Задача об определении длины отрезка. Найти длину отрезка , если известны координаты его концов: . Эту задачу можно рассматривать как задачу о нахождении расстояния между двумя точками.

1. Введем в рассмотрение вектор с началом и концом и радиусы-векторы (рис. 6.13).
2. Определим координаты вектора как разности векторов и :
3. Находим модуль вектора , который и равна длине отрезка :

Задача об определении площади треугольника

Найдем площадь треугольника, заданного координатами вершин:

По аксиомой стереометрии известно, что три точки в пространстве определяют плоскость и притом только одну. Для упрощения изложения, не нарушает общего подхода к решению задачи, договоримся рассматривать треугольник , принадлежащей плоскости : и .

1. Введем в рассмотрение векторы:

и найдем их векторное произведение

По соотношению (6.20) имеем:

2. Вычислим модуль вектора , численно равна площади параллелограмма , построенного на векторах как на сторонах (рис. 6.14):

Тогда для площади треугольника имеем:

Знак или берется в зависимости от того, каким будет определитель – положительным или отрицательным.

Если треугольник принадлежит не плоскости , а любой другой плоскости в пространстве, то его площадь тоже можно найти по формуле:

Найдем площадь треугольника с вершинами

Введем в рассмотрение векторы: и и определим их векторное произведение:

Тогда

(кв. ед.)

Задача о деление отрезка в заданном отношении

Пусть в пространстве заданы две точки . Проведем через них произвольную прямую и установим на этой прямой положительное направление, согласно которому определим направление на отрезке (рис. 6.15). На прямой возьмем точку , которая может принадлежать отрезку , или его продолжению. При этом, если точка принадлежит отрезку (рис. 6.15 а), говорится, что она осуществляет внутреннее деление отрезка на части, если не принадлежит (рис. 6.15 б) – то внешний.

Рис. 6.15

Число , которое определяется формулой

называется отношением, в котором точка разделяет направленный отрезок . Если , то осуществляет внутреннее (внешнее) деление отрезка на части.

Задача о деление отрезка в заданном отношении формулируется так: найти координаты точки , что разделяет отрезок в отношении , если отрезок задан координатами начала и конца –

Пусть точкам соответствуют радиусы-векторы (рис. 6.16). Из определения (6.29) следует, что векторы и коллинеарны, то есть . Следовательно,

С этого векторного равенства найдем вектор

или в координатах:

Отсюда, если отрезок разделить на две равные части точкой то координаты точки могут быть найдены следующим образом:

Можно доказать, что координаты точки пересечения медиан треугольника, заданного координатами его вершин вычисляются по формулам:

Лекции:

Объем конуса
Разложение на множители
Деление многочлена на многочлен
Правила дифференцирования
Теорема Пифагора
Асимптотическое поведение функций. Сравнение бесконечно малых функций
Прямая линия на плоскости
Выпуклость и вогнутость графика функции
Матанализ для чайников
Производные некоторых элементарных функций

Источник

Для
начала вспомним, какие действия над векторами вам известны.

Итак,
это сложение двух векторов по правилу треугольника или параллелограмма и
нескольких векторов по правилу многоугольника. Вектор разности векторов мы
получали как вектор суммы векторов .

Также
вам знакомо правило умножение вектора на число.

Сегодня
вы познакомитесь с ещё одним действием над векторами — скалярным умножением
векторов.

Определение.
Скалярным произведением двух векторов называется произведение их длин
на косинус угла между ними.

Скалярное
произведение векторов обозначают
так .

Или
возможна запись без знака умножения.

Оно
равно произведению длин данных векторов на косинус угла между ними.

Стоит
вспомнить, что угол между векторами получают, откладывая данные векторы от
одной точки. При этом выбирают угол меньший 180°

Обратите
внимание, ранее, при выполнении сложения, вычитания векторов и умножения
вектора на число, результатом каждого из этих действий мы получали некоторый
вектор.

Результатом
же скалярного произведения векторов является число.

Сейчас
подробнее рассмотрим случай, когда скалярное произведение векторов равно 0.

Понятно,
что для этого хотя бы один из множителей должен быть равен нулю.

Такими
будут случаи, когда хотя бы один из векторов в произведении является нулевым.

Если
же векторы ненулевые,
то косинус угла между ними должен быть равен 0.

Среди
возможных значений градусной меры угла между двумя векторами только лишь косинус
угла в 90° равен 0.

Отсюда
получаем, что векторы перпендикулярны.

Подытожим.
Скалярное произведение равно нулю, если хотя бы один из векторов сомножителей является
нулевым.

Ну,
а скалярное произведение ненулевых векторов равно нулю тогда и только
тогда, когда эти векторы перпендикулярны.

Из
формулы скалярного произведения также можно заметить, что, если векторы не
нулевые, то их длины всегда больше нуля, поэтому их произведение тоже
положительно. А вот значение косинуса угла между ними может принимать как
положительные, так и отрицательные значения.

Можно
сказать, что скалярное произведение двух ненулевых векторов больше нуля, если
угол между векторами острый. Равно нулю, если угол между ним прямой. И меньше
нуля, если угол между данными векторами тупой. Ещё раз обратим внимание на то,
что эти заключения верны для ненулевых векторов .

Задача.
Найти скалярное произведение векторов и
,
пользуясь данными рисунков.

Решение.

а)

б)

в)

г)

Мы
рассмотрели примеры применения формулы скалярного произведения двух векторов и
убедились, что скалярное произведение ненулевых векторов больше нуля, если угол
между ними является острым, равно нулю — если векторы перпендикулярны, и меньше
нуля — если угол между векторами тупой.

А
сейчас рассмотрим сонаправленные векторы и
.
Запишем формулу их скалярного произведения.

Вы
должны помнить с прошлых уроков, что угол между сонаправленными векторами равен
нулю. А косинус угла в 0° равен 1. Тогда получаем, что скалярное произведение
сонаправленных векторов равно произведению их длин.

Говоря
о противоположно направленных векторах, можно вспомнить, что угол между ними
равен 180°. Значит, косинус равен -1.

Тогда
скалярное произведение противоположно направленных векторов равно .

Что
касается, скалярного произведения вектора на самого себя, то его называют скалярным
квадратом вектора. Этот случай можно рассматривать в контексте
сонаправленных векторов. Действительно, ведь векторы равны, а значит, и
сонаправлены. Такое произведение равно произведению длин данного вектора.

Тогда
получаем, что скалярный квадрат вектора равен квадрату его длины.

Задача.
Найдём скалярные квадраты векторов ,
,
и
.

Решение.

Скалярное
произведение векторов применяется не только в математике. Например, из курса
механики известно, что работа постоянной силы F
при перемещении из точки М в точку Н равна .

Тем
самым получаем, что работа силы F
равна скалярному произведению вектора силы и
вектора перемещения .

Вернёмся
к скалярному произведению в математике и решим несколько задач.

Задача.
К одной и той же точке приложены и
,
действующие под углом в друг
к другу. ,
.
Найти величину равнодействующей силы .

Решение.

1
способ

2
способ

Ответ:
.

Задача.
В ,где
,
проведена высота .
Вычислить ,
,
,
.

Решение

,
так как

Подведём
итоги нашего урока.

Сегодня
вы познакомились с новым действием над векторами — скалярным умножением
векторов.

Скалярным
произведением двух векторов называют произведение длин данных векторов на
косинус угла между ними.

Проанализировав
эту формулу, мы заметили, что скалярное произведение равно нулю, если хотя бы
один из векторов сомножителей является нулевым. Ну, а скалярное произведение
ненулевых векторов рано нулю, тогда и только тогда, когда данные векторы
перпендикулярны.

Также,
пользуясь знаниями об углах между сонаправленными и противоположно
направленными векторами, мы выяснили, что скалярное произведение сонаправленных
векторов равно произведению их длин, а скалярное произведение противоположно
направленных векторов противоположно произведению их длин.

Введя
понятия скалярного квадрата вектора, мы получили, что он равен квадрату длины
данного вектора.

Знания
о скалярном произведении векторов можно применять не только на уроках
математики. Так же они широко используются в физике.

Источник

Векторы в пространстве и метод координат

Существует два способа решения задач по стереометрии

Первый — классический — требует отличного знания аксиом и теорем стереометрии, логики, умения построить чертеж и свести объемную задачу к планиметрической. Способ хорош тем, что развивает мозги и пространственное воображение.

Другой метод — применение векторов и координат. Это простые формулы, алгоритмы и правила. Он очень удобен, особенно когда времени до экзамена мало, а решить задачу хочется.

Если вы освоили векторы на плоскости и действия с ними — то и с векторами в пространстве разберетесь. Многие понятия окажутся знакомыми.

Система координат в пространстве

Выберем начало координат. Проведем три взаимно перпендикулярные оси X, Y и Z. Зададим удобный масштаб.

Получилась система координат в трехмерном пространстве. Теперь каждая его точка характеризуется тремя числами — координатами по X, Y и Z. Например, запись M(−1; 3; 2) означает, что координата точки M по X (абсцисса) равна −1, координата по Y (ордината) равна 3, а координата по Z (аппликата) равна 2.

Векторы в пространстве определяются так же, как и на плоскости. Это направленные отрезки, имеющие начало и конец. Только в пространстве вектор задается тремя координатами x, y и z:

$vec{a}(x_{a};: y_{a};: z_{a})$

Как найти координаты вектора? Как и на плоскости — из координаты конца вычитаем координату начала.

$vec{a}=vec{AB}(x_{B}-x_{A};: y_{B}-y_{A};: z_{B}-z_{A})$

Длина вектора vec{AB} в пространстве – это расстояние между точками A и B. Находится как корень квадратный из суммы квадратов координат вектора:

$|vec{a}|=sqrt{x^{2}_{a}+y^{2}_{a}+z^{2}_{a}}=sqrt{(x_{B}-x_{A})^{2}+(y_{B}-y_{A})^{2}+(z_{B}-z_{A})^{2}}$ Пусть точка M – середина отрезка AB. Ее координаты находятся по формуле:

$x_{M}=frac{x_{A}+x_{B}}{2};: : y_{M}=frac{y_{A}+y_{B}}{2};: : z_{M}=frac{z_{A}+z_{B}}{2}$

Для сложения векторов применяем уже знакомые правило треугольника и правило параллелограмма

Сумма векторов, их разность, произведение вектора на число и скалярное произведение векторов определяются так же, как и на плоскости. Только координат не две, а три. Возьмем векторы и .

Сумма векторов:

$vec{a}+vec{b}=vec{c}(x_{a}+x_{b};: y_{a}+y_{b};: z_{a}+z_{b})$

Разность векторов:

$vec{a}-vec{b}=vec{d}(x_{a}-x_{b};: y_{a}-y_{b};: z_{a}-z_{b})$

Произведение вектора на число:

$lambda cdot vec{a}=vec{p}(lambda x_{a};: lambda y_{a};:lambda z_{a} )$

Скалярное произведение векторов:

$vec{a}cdot vec{b}=|vec{a}|cdot |vec{b}|cdot cosvarphi =x_{a}cdot x_{b}+y_{a}cdot y_{b}+z_{a}cdot z_{b}$

Косинус угла между векторами:

$cosvarphi =frac{vec{a}cdot vec{b}}{|vec{a}|cdot vec{|b|}}=frac{x_{a}cdot x_{b}+y_{a}cdot y_{b}+z_{a}cdot z_{b}}{sqrt{x^{2}_{a}+y^{2}_{a}+z^{2}_{a}}cdot sqrt{x^{2}_{b}+y^{2}_{b}+z^{2}_{b}}}$

Последняя формула удобна для нахождения угла между прямыми в пространстве. Особенно если эти прямые – скрещиваются. Напомним, что так называются прямые, которые не параллельны и не пересекаются. Они лежат в параллельных плоскостях.

1. В кубе ABCDA₁B₁C₁D₁ точки E и K — середины ребер соответственно A₁B₁ и B₁C₁. Найдите косинус угла между прямыми AE и BK.

Если вам достался куб — значит, повезло. Он отлично вписывается в прямоугольную систему координат. Строим чертеж:

Длина ребра куба не дана. Какой бы она ни была, угол между AE и BK от нее не зависит. Поэтому возьмем единичный куб, все ребра которого равны 1.

Прямые AE и BK — скрещиваются. Найдем угол между векторами vec{AE} и vec{BK} . Для этого нужны их координаты.

$, \ A(0;0;0)\ B(1;0;0)\ E(frac{1}{2};0;1)\ K(1;frac{1}{2};1)$

Запишем координаты векторов:

$vec{AE}left (frac{1}{2};0;1 right )$

$vec{BK}left (0;frac{1}{2};1 right )$

и найдем косинус угла между векторами vec{AE} и vec{BK} :

2. В правильной четырехугольной пирамиде SABCD, все ребра которой равны 1, точки E, K — середины ребер SB и SC соответственно. Найдите косинус угла между прямыми AE и BK.

Лучше всего выбрать начало координат в центре основания пирамиды, а оси X и Y сделать параллельными сторонам основания.

Координаты точек A, B и C найти легко:

$Aleft ( frac{1}{2};-frac{1}{2};0 right )$

$Bleft ( frac{1}{2};frac{1}{2};0 right )$

$Cleft ( -frac{1}{2};frac{1}{2};0 right )$

Из прямоугольного треугольника AOS найдем $OS=frac{sqrt{2}}{2}.$

Координаты вершины пирамиды: $Sleft ( 0;0;frac{sqrt{2}}{2} right ).$

Точка E — середина SB, а K — середина SC. Воспользуемся формулой для координат середины отрезка и найдем координаты точек E и K.

$Eleft ( frac{1}{4};frac{1}{4};frac{sqrt{2}}{4} right )$

$Kleft ( -frac{1}{4};frac{1}{4};frac{sqrt{2}}{4} right )$

Найдем координаты векторов и :

$overrightarrow{AE}left ( -frac{1}{4};frac{3}{4};frac{sqrt{2}}{4} right )$

$overrightarrow{BK}left ( -frac{3}{4};frac{1}{4};frac{sqrt{2}}{4} right )$

и угол между ними:

$cosvarphi =frac{overrightarrow{AE}cdot overrightarrow{BK}}{left |overrightarrow{AE} right |cdot left |overrightarrow{BK} right |}=frac{1}{6}$

Покажем теперь, как вписать систему координат в треугольную призму.

3. В правильной треугольной призме ABCA₁B₁C₁, все ребра которой равны 1, точка D — середина ребра A₁B₁. Найдите косинус угла между прямыми AD и BC₁

Пусть точка A — начало координат. Возьмем ось X параллельно стороне BC, а ось Y перпендикулярно ей. Другими словами, на оси Y будет лежать отрезок AH, являющийся высотой треугольника ABC. Нарисуем отдельно нижнее основание призмы.

Запишем координаты точек:

$A_{1}(0;0;1)$

$B(frac{1}{2};frac{sqrt{3}}{2};0)$

$B_{1}(frac{1}{2};frac{sqrt{3}}{2};1)$

$C_{1}(-frac{1}{2};frac{sqrt{3}}{2};1)$

Точка D — середина A₁B₁. Значит, пользуемся формулами для координат середины
отрезка.

$D(frac{1}{4};frac{sqrt{3}}{4};1)$

Найдем координаты векторов и $overrightarrow{BC}_{1}$ , а затем угол между ними:

$overrightarrow{AD}(frac{1}{4};frac{sqrt{3}}{4};1)$

$overrightarrow{BC_{1}}(-1;0;1)$

$cosvarphi =frac{overrightarrow{AD}cdot overrightarrow{BC_{1}}}{left |overrightarrow{AD} right |cdot left |overrightarrow{BC_{1}} right |}=frac{3}{2sqrt{10}}$

Смотрите, как легко с помощью векторов и координат найти угол между прямыми. А если требуется найти угол между плоскостями или между прямой и плоскостью? Для решения подобных задач нам понадобится уравнение плоскости в пространстве.

Плоскость в пространстве задается уравнением:

Здесь числа A, B и C — координаты вектора, перпендикулярного этой плоскости. Его называют нормалью к плоскости.

Вместо x, y и z можно подставить в уравнение координаты любой точки, принадлежащей данной плоскости. Получится верное равенство.

Плоскость в пространстве можно провести через любые три точки, не лежащие на одной прямой. Поэтому для того, чтобы написать уравнение плоскости, берем координаты трех принадлежащих ей точек. Подставляем их по очереди в уравнение плоскости. Решаем полученную систему.

Покажем, как это делается.

Напишем уравнение плоскости, проходящей через точки M (1; 0; 1), N (2; −2; 0) и K (4; 1; 2).

Уравнение плоскости выглядит так:

Подставим в него по очереди координаты точек M, N и K.

Для точки M:

То есть A + C + D = 0.

Для точки N:

Аналогично для точки K:

Получили систему из трех уравнений:

$left{begin{matrix} A+C+D=0\ 2A-2B+D=0\ 4A+B+2C+D=0 end{matrix}right.$ .

В ней четыре неизвестных: A, B, C и D. Поэтому одну из них мы выберем сами, а другие выразим через нее. Правило простое — вместо одной из переменных можно взять любое число, не равное нулю.

Пусть, например, D = −2. Тогда:

$left{begin{matrix} A+C-2=0\ 2A-2B-2=0\ 4A+B+2C-2=0 end{matrix}right.$ ;

$left{begin{matrix} A+C=2\ A-B=1\ 4A+B+2C=2 end{matrix}right.$ .

Выразим C и B через A и подставим в третье уравнение:

$left{begin{matrix} C=2-A\ B=A-1\ 4A+A-1+4-2A=2 end{matrix}right.$ .

Решив систему, получим:

$, \ A=-frac{1}{3}\ , \ B=-frac{4}{3}\ , \ C=frac{7}{3}$

Уравнение плоскости MNK имеет вид:

$-frac{1}{3}x-frac{4}{3}y+frac{7}{3}z-2=0.$

Умножим обе части уравнения на −3. Тогда коэффициенты станут целыми:

Вектор — это нормаль к плоскости MNK.

Уравнение плоскости, проходящей через заданную точку $M(x_{0}, y_{0}, z_{0}),$ имеет вид:

$A(x-x_{0})+B(y-y_{0})+C(z-z_{0})=0.$

Угол между плоскостями равен углу между нормалями к этим плоскостям:

$cosvarphi =frac{left |vec{n}_{1}cdot vec{n}_{2} right |}{|vec{n}_{1}|cdot |vec{n}_{2}|}$

Не правда ли, знакомая формула? Скалярное произведение нормалей поделили на произведение их длин.

Заметим, что при пересечении двух плоскостей вообще-то образуется четыре угла.

Мы берем меньший из них. Поэтому в формуле стоит модуль скалярного произведения — чтобы косинус угла был неотрицателен.

4. В кубе ABCDA₁B₁C₁D₁ точки E и F — середины ребер соответственно A₁B₁ и A₁D₁. Найдите тангенс угла между плоскостями AEF и BDD₁.

Строим чертеж. Видно, что плоскости AEF и BDD₁ пересекаются где-то вне куба. В классическом решении пришлось бы строить линию их пересечения. Но векторно-координатный метод значительно всё упрощает. Не будем ломать голову над тем, по какой прямой пересекаются плоскости. Просто отметим координаты нужных нам точек и найдем угол между нормалями к плоскостям AEF и BDD₁.

Сначала — нормаль к плоскости BDD₁. Конечно, мы можем подставить координаты точек B, D и D₁ в уравнение плоскости и найти коэффициенты, которые и будут координатами вектора нормали. А можем сделать хитрее — увидеть нужную нормаль прямо на чертеже. Ведь плоскость BDD₁ — это диагональное сечение куба. Вектор перпендикулярен этой плоскости.

Итак, первый вектор нормали у нас уже есть: $vec{n}_{1}=overrightarrow{AC}(1;1;0).$

Напишем уравнение плоскости AEF.

$, \ A(0;0;0)\ E(frac{1}{2};0;1)\ , \ F(0;frac{1}{2};1)$

Берем уравнение плоскости и по очереди подставляем в него, вместо x, y и z, соответствующие координаты точек A, E и F.

$left.begin{matrix} A\ , \ E\ , \ F end{matrix}right|$ $, \ 0cdot A+0cdot B+0cdot C+D=0\ , \ frac{1}{2}cdot A+0cdot B+1cdot C+D=0\ , \ 0cdot A+frac{1}{2}cdot B+1cdot C+D=0$

Упростим систему:

$left{begin{matrix} D=0\ frac{1}{2}A+C=0\ , \ frac{1}{2}B+C=0 end{matrix}right.$ .

Пусть С = -1. Тогда A = B = 2.

Уравнение плоскости AEF:

Нормаль к плоскости AEF:

Найдем угол между плоскостями:

$cosvarphi =frac{|2+2|}{sqrt{2}cdot sqrt{9}}=frac{4}{sqrt{2}cdot 3}=frac{4}{sqrt{2}cdot 3}=frac{2sqrt{2}}{3}$

5. Основание прямой четырехугольной призмы BCDA₁B₁C₁D₁ — прямоугольник ABCD, в котором AB = 5, AD = √33. Найдите тангенс угла между плоскостью грани AA₁D₁D и плоскостью, проходящей через середину ребра CD перпендикулярно прямой B₁D, если расстояние между прямыми A₁C₁ и BD равно √3.

Эта задача наглядно показывает, насколько векторный метод проще классического. Попробуйте, для разнообразия, построить необходимые сечения и провести все доказательства — как это делается в «классике» 🙂

Строим чертеж. Прямую четырехугольную призму можно по-другому назвать “параллелепипед”.

Замечаем, что длина и ширина параллелепипеда у нас есть, а вот высота — вроде не дана. Как же ее найти?

«Расстояние между прямыми A₁C₁ и BD равно √3». Прямые A₁C₁ и BD скрещиваются. Одна из них — диагональ верхнего основания, другая — диагональ нижнего. Вспомним, что расстояние между скрещивающимися прямыми равно длине их общего перпендикуляра. Общий перпендикуляр к A₁C₁ и BD — это, очевидно, OO₁, где O — точка пересечения диагоналей нижнего основания, O₁ — точка пересечения диагоналей верхнего. А отрезок OO₁ и равен высоте параллелепипеда.

Итак, AA₁ = √3

Плоскость AA₁ D₁ D — это задняя грань призмы на нашем чертеже. Нормаль к ней — это любой вектор, перпендикулярный задней грани, например, вектор или, еще проще, вектор $vec{n_{1}}(1;0;0)$ .

Осталась еще «плоскость, проходящая через середину ребра CD перпендикулярно прямой B₁D». Но позвольте, если плоскость перпендикулярна прямой B₁D — значит, B₁D и есть нормаль к этой плоскости! Координаты точек B₁ и D известны:

$B_{1}left ( 5;, 0;, sqrt{3} right )$

Координаты вектора $overrightarrow{B_{1}D}$ — тоже:

$overrightarrow{B_{1}D}left ( -5;, sqrt{33};, -sqrt{3} right )=overrightarrow{n}_{2}$

Находим угол между плоскостями, равный углу между нормалями к ним:

$cos, varphi =frac{5}{sqrt{25+33+3}}=frac{5}{sqrt{61}}$

Зная косинус угла, находим его тангенс по формуле

$1+tg^{2}varphi =frac{1}{cos^{2}varphi }$

Получим:
$tg, varphi =frac{6}{5}.$

Ответ: $frac{6}{5}.$

Угол между прямой m и плоскостью α тоже вычисляется с помощью скалярного произведения векторов.

Пусть — вектор, лежащий на прямой m (или параллельный ей), — нормаль к плоскости α.

Находим синус угла между прямой m и плоскостью α по формуле:

$sin, varphi =frac{left | overrightarrow{n}cdotoverrightarrow{a} right |}{left | overrightarrow{n} right |cdot |overrightarrow{a}|}$

6. В кубе ABCDA₁B₁C₁D₁ точка E — середина ребра A₁B₁. Найдите синус угла между прямой AE и плоскостью BDD₁.

Как всегда, рисуем чертеж и выбираем систему координат

$Eleft ( 1;, frac{1}{2};, 1 right )$

Находим координаты вектора $overrightarrow{AE}left ( 0;, frac{1}{2};, 1 right )$ .

Нужно ли нам уравнение плоскости BDD₁? В общем-то, без него можно обойтись. Ведь эта плоскость является диагональным сечением куба, а значит, нормалью к ней будет любой вектор, ей перпендикулярный. Например, вектор .

Найдем угол между прямой и плоскостью:

$sin, varphi =frac{left | overrightarrow{AC}cdot overrightarrow{AE} right |}{|overrightarrow{AC}|cdot|overrightarrow{AE}|}=frac{2}{2cdot sqrt{2}cdot sqrt{5}}=frac{1}{sqrt{10}}$

Ответ: $frac{1}{sqrt{10}}.$

Расстояние от точки M с координатами x₀, y₀ и z₀ до плоскости α, заданной уравнением Ax + By + Cz + D = 0, можно найти по формуле:

$h=frac{|Ax_{0}+By_{0}+Cz_{0}+D|}{sqrt{A^{2}+B^{2}+C^{2}}}$

7. В основании прямоугольного параллелепипеда BCDA₁B₁C₁D₁ лежит прямоугольник ABCD со сторонами AB = , AD = . Высота параллелепипеда AA₁ = $frac{6}{sqrt{5}}$ . Найдите расстояние от точки A до плоскости A₁DB.

Построим чертеж и выпишем координаты точек:

$A_{1}left ( 0, ;0;, frac{6}{sqrt{5}} right )$

Запишем уравнение плоскости A₁DB. Вы помните, как это делается — по очереди подставляем координаты точек A₁, D и B в уравнение A_x + B_e + C_z + D

$left.begin{matrix} A_{1}\ B\ D end{matrix}right|$ $begin{matrix} frac{6}{sqrt{5}}C+D=0\ sqrt{10}A+D=0\ 3sqrt{10}B+D=0 end{matrix}$

Решим эту систему. Выберем

Тогда

Уравнение плоскости A₁DB имеет вид:

Дальше все просто. Находим расстояние от точки A до плоскости A₁DB:

$h=frac{|Ax_{0}+By_{0}+Cz_{0}+D|}{sqrt{A^{2}+B^{2}+C^{2}}}=frac{6sqrt{10}}{sqrt{50+36+4}}=frac{6sqrt{10}}{sqrt{90}}=2.$

В некоторых задачах по стереометрии требуется найти расстояние от прямой до параллельной ей плоскости. В этом случае можно выбрать любую точку, принадлежащую данной прямой.

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями.
Информация на странице «Векторы в пространстве и метод координат» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в высшее учебное заведение или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из данного раздела.

Публикация обновлена:
08.05.2023

Источник

Примеры задач решаемых с применением векторной алгебры
Векторная алгебра — решение заданий и задач по всем темам с вычислением
- Понятие вектора. Линейные операции над векторами
- Скалярное произведение векторов
- Векторное произведение векторов
- Смешанное произведение векторов
Основные понятия векторной алгебры
Прямоугольные декартовы координаты
- Координатная ось
- Прямоугольные декартовы координаты на плоскости
- Прямоугольные декартовы координаты в пространстве
- Полярные координаты
Определители 2-го и 3-го порядков
Понятия связанного и свободного векторов
Линейные операции над векторами
- Сложение векторов
- Умножение вектора на число
- Координаты и компоненты вектора
- Линейные операции над векторами в координатах
- Проекция вектора на ось
- Основные свойства проекций
Скалярное произведение векторов
- Свойства скалярного произведения
- Скалярное произведение векторов, заданных координатами
- Косинус угла между векторами. Направляющие косинусы
Векторное произведение векторов
- Свойства векторного произведения
- Векторное произведение векторов, заданных координатами
Смешанное произведение векторов
- Геометрический смысл смешанного произведения
- Смешанное произведение в координатах
- Двойное векторное произведение

Вектором называется направленный отрезок. Вектор обозначается либо символом ( — точка начала, — точка конца вектора), либо . В математике обычно рассматриваются свободные векторы, то есть векторы, точка приложения которых может быть выбрана произвольно.

Векторная алгебра: основные понятия и определения

2. Длиной (модулем) вектора называется длина отрезка . Модуль вектора обозначается .

3.Вектор называется единичным, если его длина равна «1»; единичный вектор направления вектора называется ортом вектора и определяется по формуле .

4. Вектор называется нулевым, если его начало и конец совпадают ; любое направление можно считать направлением нулевого вектора.

5. Векторы называются коллинеарными, если они лежат либо на одной прямой, либо на параллельных прямых. Коллинеарность векторов обозначается: . Необходимым и достаточным условием коллинеарности векторов и является существование такого числа , что .

6. Два вектора называются равными, если они коллинеарны, имеют одинаковую длину и направление.

7. Вектор называется противоположным вектору , если модули их равны, а направления противоположны.

8. Векторы называются компланарными, если они лежат в одной плоскости или в параллельных плоскостях.

Для решения задач необходимо уметь выполнять линейные операции над вектором в геометрической форме, то есть над вектором, как над
направленным отрезком: сложение, вычитание векторов и умножение вектора на число.

9. Сложение двух векторов можно выполнить по правилу параллелограмма (рис. 1) или по правилу треугольника (рис. 2).

При сложении более двух векторов, лежащих в одной плоскости, используется правило «замыкающей линии многоугольника» (рис. 3).

При сложении трех некомпланарных векторов удобно пользоваться правилом «параллелепипеда» (рис. 4).

10. Действие вычитания двух векторов связано с действием сложения (рис.5).

Разностью двух векторов называется вектор, проведенный из конца вычитаемого в конец уменьшаемого. Заметим, что разностью является вектор, служащий второй диагональю параллелограмма.

Разность можно также представить в виде сложения с противоположным вектором (рис. 6).

11. Произведением вектора на число называется вектор , который имеет :

12. Для решения задач полезно знать также следующие законы и свойства:

переместительный:
сочетательный:
распределительный:

Примеры задач решаемых с применением векторной алгебры

Задача:

Пусть даны точки

1) Найти координаты векторов

2) Написать разложение этих векторов по базису

3) Найти длины этих векторов

4) Найти скалярное произведение

5) Найти угол между векторами и .

6) Найти разложение вектора по базису и

Решение:

1) Вычислим координаты векторов и (нужно из координат точки его конца вычесть координаты его начала):

, аналогично,

4) Для вычисления угла между векторами воспользуемся формулой:

5) Разложить вектор по векторам и — это значит представить вектор в виде линейной комбинации векторов и , т. е.

, где . Имеем , но у равных векторов соответственно равны координаты, следовательно, получим систему, из которой найдем и .

Задача:

а). Даны векторы и в некотором базисе. Показать, что векторы образуют базис и найти координаты вектора в этом базисе.

Решение:

Три вектора образуют базис, если .

Найдем координаты вектора в базисе и .

Два вектора равны, если их соответствующие координаты равны.

Решим систему методом Крамера:

Ответ: .

Задача:

Даны координаты вершин тетраэдра и . Найти: 1) координаты точки пересечения медиан треугольника ; 2) уравнение прямой, проходящей через вершину параллельно медиане, проведенной из вершины треугольника ; 3) координаты точки, симметричной точке относительно плоскости . Сделать чертёж.

Решение:

1) Найдем координаты т. середины отрезка (рис. 16):

Точка пересечения медиан треугольника делит медиану в отношении , считая от вершины . Найдем координаты точки :

2) Найдем направляющий вектор прямой . Уравнение прямой, проходящей через вершину параллельно прямой :

3) Найдем уравнение плоскости :

Найдем каноническое уравнение прямой, перпендикулярной плоскости и проходящей через т. : . Запишем каноническое уравнение прямой в параметрическом виде: .

Найдем координаты точки пересечения плоскости и найденной прямой:

Координаты точки симметричной точке относительно плоскости — .

Ответ: 1) координаты точки пересечения медиан уравнение прямой ; 3) координаты симметричном точки .

На этой странице размещён краткий курс лекций по высшей математике для заочников с теорией, формулами и примерами решения задач:

Высшая математика краткий курс лекций для заочников

Возможно вам будут полезны эти страницы:

Векторная алгебра — решение заданий и задач по всем темам с вычислением

Понятие вектора. Линейные операции над векторами

1°. Любые две точки пространства, если они упорядочены (например, А является первой, а В — второй точкой), определяют отрезок вместе с выбранным направлением (а именно, от A к В). Направленный отрезок называется вектором. Вектор с началом в A и концом в В обозначается или Длина вектора, обозначаемая , АВ или а, называется также модулем вектора. Чтобы найти координаты вектора, нужно из координат конца вектора вычесть одноименные координаты начала: Тогда длина вектора найдется так:

Векторы, расположенные на одной прямой или на параллельных прямых, называются коллинеарными.

Два вектора называются равными, если они коллинеарны, имеют одинаковые модули и направления. В этом случае пишут Равные векторы имеют равные координаты.

Векторы называются противоположными, если они коллинеарны, имеют одинаковые длины и противоположные направления:

Вектор называется нулевым, если его модуль равен нулю, и обозначается

2°. Линейными называются действия сложения, вычитания векторов и умножения вектора на число.

1.Если начало совмещено с концом то начало совпадает с началом а конец — с концом (рис. 3.1).

2.Если начала векторов совмещены, то начало совпадает с концом , а конец совпадает с концом (рис. 3.2).

3.При умножении вектора на число (скаляр) длина вектора умножается на , а направление сохраняется, если и изменяется на противоположное, если (рис. 3.3).

Вектор называется ортом, или единичным вектором вектора его длина равна единице:

3°. Запись ci — означает, что вектор имеет координаты или разложен по базису — орты осей Ох, Оу и Oz пространственной системы координат Oxyz). При этом

4°. Числа называются направляющими косинусами вектора — углы между вектором и координатными осями Ох, Оу, Oz соответственно. Единичный вектор — орт вектора . Для любого вектора справедливо:

5°. Линейные операции над векторами, которые заданы своими координатами, определяются так: пусть тогда

Следовательно, при сложении векторов складываются их соответствующие координаты, а при умножении вектора на число умножаются на число все координаты вектора.

6°. Необходимое и достаточное условие коллинеарности векторов , устанавливаемое равенством может быть записано соотношениями из которых следует пропорциональность их координат:

Если один из членов какого-нибудь из этих отношений равен нулю, то и второй член того же отношения должен быть нулем. Геометрически это значит, что в этом случае оба вектора перпендикулярны соответствующей координатной оси (например, если то векторы ).

7°. Система векторов называется линейно независимой, если равенство

( — действительные числа) возможно только при Если же равенство (1) возможно при некотором нетривиальном наборе то система этих векторов называется линейно зависимой. Любой вектор линейно зависимой системы линейно выражается через остальные.

Примеры с решениями

Пример:

Доказать, что треугольник с вершинами в точках A(1,2), B(2,5), С(3,4) прямоугольный.

Решение:

Построим векторы, совпадающие со сторонами треугольника (см. п. 1°): (рис. 3.4).

Найдем длины сторон:
Нетрудно видеть, что Следовательно, треугольник ABC прямоугольный с гипотенузой и катетами

Пример:

Проверить, что точки А( 2,-4,3), В(5, —2,9), С( 7,4,6) и D(6,8, -3) являются вершинами трапеции.

Решение:

Составим векторы-стороны с целью обнаружения коллинеарности векторов (в трапеции ВС || AD) (рис. 3.5):

Имеем значит, ABCD — трапеция.

Пример:

Найти орт и направляющие косинусы вектора

Решение:

Имеем В соответствии с п. 3°, 4°

и направляющие косинусы вектора причем

Пример:

Определить точку В, которая является концом вектора , если его начало совпадает с точкой

Решение:

Пусть точка В имеет координаты B(x,y,z) (рис. 3.6). Тогда координа- ^ ты вектора (п. 1°)

Следовательно, Ответ. В(5, -5,3).

Пример:

Вектор разложить по векторам

Решение:

Необходимо найти такие числа х, у, z, что т.е.

Имея в виду, что при сложении векторов складываются их координаты и равные векторы имеют равные координаты, приходим к системе уравнений

из которой

Ответ.

Пример:

Показать, что система векторов линейно независима.

Решение:

В данном случае равенство (1) имеет вид , или Отсюда получаем систему уравнений

из которой следует, что Это подтверждает линейную независимость данных векторов.

Пример:

Показать, что система векторов линейно зависима.

Решение:

Равенство (1) равносильно системе уравнений

Она имеет ненулевое решение, например, Таким образом, Отсюда видно, что т.е. вектор линейно выражается через Очевидно, что можно выразить через — через

Скалярное произведение векторов

1°. Скалярным произведением двух ненулевых векторов а и b называется число, равное произведению их длин на косинус угла между ними:

Из (рис. 3.7) имеем ( — проекция вектора на направление вектора ).

Итак,

2°. Если

т.е. скалярное произведение векторов равно сумме произведений одноименных координат этих векторов.

При этом если же , т. е. поскольку cos 90° = 0 (условие перпендикулярности двух векторов).

3°. Из определения скалярного произведения следует формула для вычисления угла между двумя векторами:

Примеры с решениями

Пример:

Перпендикулярны ли векторы если

Решение:

Условие перпендикулярности векторов (п. 2°) в нашем случае

Ответ. Да.

Пример:

Найти проекцию вектора на направление вектора

Решение:

Имеем (п. 1°). Подставив сюда выражение для из п. 3°, получим

Ответ

Пример:

Зная векторы, совпадающие с двумя сторонами: и найти внутренние углы треугольника ABC.

Решение:

Имеем (рис. 3.8)

При помощи таблиц находим Для нахождения других углов нам понадобится вектор который является суммой : поэтому

Ответ. 123° 10′, 19°29′, 37°21′.

Пример:

Найти координаты вектора если где и

Решение:

На рис. 3.9 имеем Из условий перпендикулярности векторов (п. 2°) имеем Положим Условие задачи перепишем в виде Рис. 3.9 системы

Векторное произведение векторов

1°. Векторы приведенные к одному началу, образуют правую (левую) тройку при условии: если смотреть из конца вектора на плоскость векторов то кратчайший поворот от совершается против (по) часовой стрелки (рис. 3.10).

2°. Векторным произведением ненулевых векторов называется вектор , обозначаемый удовлетворяющий следующим трем условиям.

1) вектор перпендикулярен плоскости векторов

2) Вектор направлен так, что векторы образуют правую тройку.

3) т.е. его длина численно равна площади параллелограмма, построенного на векторах (рис. 3.11), таким образом,

Если векторы коллинеарны, то под понимается нулевой вектор:

3°. Если известны координаты векторов-сомножителей то для отыскания координат векторного произведения служит формула

в которой определитель следует разложить по элементам первой строки.

Примеры с решениями

Пример:

Найти площадь треугольника, вершины которого находятся в точках А(1,2,3), В{3,2,1), С(1,0,1).

Решение:

Найдем координаты векторов Определим координаты векторного произведения (рис. 3.12):

Найдем длину этого вектора, которая равна численно площади параллелограмма S (п. 2°): Площадь треугольника равна

Пример:

Построить параллелограмм на векторах и вычислить его площадь и высоту, опущенную на .

Сделаем чертеж (рис. 3.13). Имеем Отдельно вычисляем векторное произведение:

Следовательно,

Смешанное произведение векторов

1°. Смешанным произведением трех ненулевых векторов называется число, равное скалярному произведению двух векторов, один из которых — векторное произведение , а другой — вектор . Обозначение: Если образуют правую тройку, то Если образуют левую тройку, то

Модуль смешанного произведения векторов равен объему параллелепипеда (рис. 3.14), построенного на этих векторах, Условие равносильно тому, что векторы расположены в одной плоскости, т.е. компланарны. Имеет место равенство

Объем тетраэдра с вершинами в точках можно вычислить по формуле где

2°. Условие равносильно условию линейной независимости , а тогда любой вектор линейно выражается через них, т. е. Для определения х, у, z следует решить соответствующую систему линейных уравнений

Примеры с решениями

Пример:

Найти объем параллелепипеда, построенного на векторах

Решение:

Искомый объем Поскольку

Пример:

В точках 0(0,0,0), А(5,2,0), В(2,5,0) и С(1,2,4) находятся вершины пирамиды. Вычислить ее объем, площадь грани ABC и высоту пирамиды, опущенную на эту грань.

Решение:

1) Сделаем схематический чертеж (рис. 3.15).

2) Введем векторы .Объем пирамиды ОАВС (тетраэда) равен

3) Площадь грани ABC

4) Объем пирамиды отсюда
Ответ.

Основные понятия векторной алгебры

Прямоугольные декартовы координаты

Координатная ось

Пусть на плоскости или в пространстве задана произвольная прямая L: Ясно, что по этой прямой L сы можем перемещаться в oднoм из двух противоположных направлений. Выбор любого (одного) из этих направлений будем называть ориентацией прямой L.

Оnределение:

Прямая с заданной на ней ориентацией называется осью. На чертеже ориентация оси указывается стрелкой (рис. 1 ) . Фиксируем на оси некоторую точку О и выберем какой-нибудь отрезок а, доложив по определению его длину равной единице (рис. 2).

Пусть М — произвольная точка оси . Поставим этой точке в соответствие число х по следующему прав илу: х равно расстоюiию между точками О и М, взятому со знаком плюс или со знаком минус н зависимости от того, совпадает ли направление движения от точки О к точке М с заданным направлением или противоположно ему (рис. 3).

Оnределение:

Ось с точкой начала отсчета О и масштабными отрезками а называется координатной осью, а число х, вычисляемое по указанному правилу, называется координатой точки М. Обозначение: М (х).

Прямоугольные декартовы координаты на плоскости

Пусть П — произвольная плоскость. Возьмем на ней некоторую точку О и проведем через эту точку взаимно перпендикулярные прямые L ₁ и L _2. Зададим на каждой из nрямых L ₁ и L ₂ ориентацию и выберем единый масштабный отрезок а. Тогда эти прямые nревратятся в координатные оси с общей точкой отсчета О (рис. 4).

Назовем одну из координатных осей осью абсцисс (осью Ох), друrую —осью ординат (осью Оу) (рис. 5). Точка О называется началом координат. Пусть М — произвольная точка плоскости П (рис. 6). Проведем через точку М прямые, перпендикулярные координатным осям, и поставим ей в соответствие упорядоченную пару чисел (х, у) по следующему nравилу:

Числа х и у называются прямоугольными декартовыми при этом х называется ее абсциссой, а у — ординатой. координатами точки М; Обозначение: М(х, у). Чтобы кратко охарактеризовать описанную конструкцию, говорят, что на плоскости П задана прямоугольная декартова система координат Ох у. Координатные оси разбивают плоскость на четыре части, называемые четвертями или квадрантами. На рисунке и в таблице показано, как эти квадранты нумеруются (рис. 7).

Замечание:

Масштабные от резки на координатных осях могут быть и разной длины. В этом случае координатная система называется просто прямоугольной.

Прямоугольные декартовы координаты в пространстве

Возьмем в пространстве некоторую точку О и проведем через нее три взаимно перпендикулярные прямые L ₁ , L ₂ и L ₃ . Выберем на каждой из nрямых ориентацию и единый масштаб. Прямые L ₁ , L ₂ и L ₃ превратятся в координатные оси с общей точкой отсчета О (рис. 8).

Назовем одну из этих осей осью абсцисс (осью Ох), вторую — осью ординат (осью Оу) и третью — осью аппликат (осью Oz) (рис. 9). Точка О называется началом координат. Пусть М — nроизвольная точка (рис. 10). Проведем через точку М nлоскости, перпендикулярные координатным осям, и поставим ей в соответстnие упорядоченную тройку чисел (х, у, z) по следующему правилу:

Числа х, у и z называются прямоугольными декартовыми координатами точки М; при этом х называется абсциссой точки М, у — ее ординатой, а z —аппликатой. Обозначение: М(х, у, z). Таким образом, в пространстве введена прямоугольная декартова система координат.

Оnределение:

Плоскость, проходящая через любую пару координатных осей, называется координатной плоскостью.

Координатных плоскостей три: Оху, Oyz и Oxz. Эти плоскости разбивают пространство на восемь частей — октантов. 1 .4. Простейшие задачи аналитической геометрии А. Расстояние между точками Пусть М ₁ (х ₁ ) и М ₂ (х ₂ )- две точки на координатной оси. Тогда расстояние d между ними вычисляется по формуле

Если на плоскости задана прямоугольная декартова система координат Оху, то расстояние d между любыми двумя точками М ₁ (х ₁ , у₁ и М₂ (х₂ , y₂) вычисляется по следующей формуле

Рассмотрим прямоугольный треугольник ∆MM₁M₂ (pиc. l l). По теореме Пифагора

Так как расстояние d между точками M ₁ и M ₂ равно длине отрезка M₁M₂ а |M₁M| = |x ₂ — x ₁|, |MM₂| = |y ₂ — y ₁|, то отсюда получаем, что

Замечая, что

,и извлекая из обеих частей равенства квадратный корень, приходим к требуемой формуле .

Замечание:

Расстояние между точками в пространстве вычисляется по следующей формуле

Задача:

Написать уравнение окружности радиуса т с центром в точке Р(а, b).

Пусть М(х, у) — точка окружности (рис. 12). Это означает, что |M P| = r. Заменим |M P|его выражением

и возведем обе части полученного равенства в квадрат:

Это есть каноническое уравнение окружности радиуса r с центром в точке Р(а, b) .

Задача:

Пусть F _л (-с, 0) и F _n (c, 0) -фиксированные точки плоскости, а -заданное число (а > с ≥ 0). Найти условие, которому удовлетворяют координаты х и у точки М, обладающей следующим свойством: сумма расстояний от точки М до F_л и до F _n равна 2а.

Вычислим расстояния между точками М и F _л и между точками М и F _n . Имеем

(рис. 13). Отсюда

Перенесем второй корень в правую часть

Возводя обе части в квадрат, после простых преобразований получим

С целью дальнейших упрощений вновь возводим обе части в квадрат. В результате nриходим к равенству

Полагая b ² = а ² — с ² и деля обе части nоследнего соотноwения на а ² b² , nолучаем уравнение эллипса

(см. главу 111) .

Деление отрезка в данном отношении:

Пусть М₁ (х₁ , y₁) и М₂ (х₂ , y₂) — различные точки плоскости. Пусть, далее, точка М(х, у) лежит на отрезке М₁М₂ и делит его в отношении λ ₁ : λ ₂ , т. е.

Требуется выразить координаты х и у этой точки через координаты концов отрезка М₁М₂ и числа λ ₁ и λ ₂ . Предположим сначала, что отрезок М₁М₂ не параллелен оси ординат Оу (рис. 14). Тогда

Так как

то из последних двух соотношений получаем, что

Точка М лежит между точками М₁ и М₂ , поэтому либо х ₁ < х < х ₂ , либо х ₁ > х > х ₂ . В любом из этих случаев разности х₁ — х и х — х ₂ имеют одинаковые знаки. Это позволяет переписать последнее равенство в следующей форме

Отсюда

В случае, когда отрезок М₁М₂ параллелен оси Оу, х ₁ = х ₂ = х. Заметим, что тот же результат дает формула (*), если nоложить в ней х ₁ = х ₂ . Справедливость формулы

доказывается аналогичным рассуждением .

Задача:

Найти координаты центра тяжести М треугольника с вершинами в точках . М₁ ( х ₁ , у ₁ ), М₂ ( х ₂ , у ₂ ) и М₃ ( х ₃ , у ₃ ). Восnользуемся тем, что центр тяжести треугольника совпадает с точкой пересечения его медиан. Точка М делит каждую медиану в отношении 2 : 1, считая от вершины (рис. 15). Тем самым, ее координаты х и у можно найти по формулам

где х’ и у’ — координаты второго конца М’ медианы М₃ М’. Так как М’ — середина отрезка М₁М₂, то

Полученные соотношения позволяют выразить координаты z и у центра тяжести М треугольника ∆М₁М₂М₃ через координаты его вершин:

Замечание:

Если точка М(х,у,z ) делит отрезок с концами М₁( х₁, у₁, z₁) и М₂( х₂, у₂, z₂) в отношении λ₁ : λ₂, то ее координаты вычисляются по формулам

Полярные координаты

Предположим, что задана точка О, ось .содержащая точку О, и масштабный отрезок (эталон длины) (рис. 16).

Пусть М — произвольная точка плоскости, отличная от точки О (рис.17). Ее положение на плоскости однозначно определяется двумя числами: расстоянием г между точками О и М и отсчитываемым против часовой стрелки углом φ между положительным лучом оси и лучом ОМ с началом в точке О. Пару (г, φ) называют полярными координатами точки М; г — полярный радиус точки М , φ — полярный угол.

Точка О называется полюсом, — полярной осью.

Ясно, чтоЕсли точка М совпадаете полюсом, то считаем г = 0; полярный угол φ в этом случае не определен.

Таким образом, на плоскости можно задать еще одну координатную систему — полярную.

Прямоугольную декартову систему координат Оху будем называть согласованной с заданной полярной, если начало координат 0(0, 0) — полюс, ось Ох — полярная ось, а ось Оу составляете осью Ох угол, равный. Тогда

(рис.18). В свою очередь

Пример:

Пусть R > О — заданное число. Множество точек плоскости, полярные координаты (г, <р) которых удовлетворяют равенству

r = R,

является окружностью радиуса R с центром в полюсе (рис. 19)

Определители 2-го и 3-го порядков

Пусть имеем четыре числа а₁₁, а₁₂, а₂₁, а₂₂ (читается — «а-один-один», «а-один-два», «а-два-один», «а-два-два»).

Определителем второго порядка называется число

Обозначение:

Числа а₁₁, а₁₂, а₂₁, а₂₂ называются элементами определителя; пары элементов а₁₁, а₁₂ и а₂₁, а₂₂ образуют строки определителя, а пары элементов а₁₁, а₂₁ и а₁₂, а₂₂ — его столбцы; пара элементов а₁₁, а₂₂ образует главную диагональ определителя, а пара а₁₂, а₂₁ — побочную диагональ.

Тем самым, для вычисления определителя второго порядка нужно из произведения а₁₁, а₂₂ элементов главной диагонали вычесть произведение а₁₂, а₂₁ элементов его побочной диагонали (рис. 20).

Пример:

Вычислить определитель

По правилу (1) имеем

С определителями второго порядка мы встречаемся уже при отыскании решения системы двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными

Решая эту систему методом исключения неизвестных при условии, что

находим

Пусгь теперь даны девять чисел a_ij (i = I, 2, 3; j = I, 2, 3).

Определителем третьего порядка называется число, обозначаемое символом

и вычисляемое по следующему правилу:

Первый индекс i элемента a_ij указывает номер строки, в которой он расположен, а второй индекс j — номер столбца.

Элементы а₁₁, а₂₂, а₃₃ образуют главную диагональ определителя ∆, элементы а₁₃, а₂₂, а₃₁ — побочную диагональ, элементы а₁₃, а₂₂, а₃₁ — побочную диагональ.

Чтобы разобраться с распределением знаков в правой части формулы (2), обратим внимание на следующее: произведение элементов а₁₁, а₂₂, а₃₃ главной диагонали входит в формулу со своим знаком, также как и произведение а₁₁, а₂₂, а₃₃ и а₁₁, а₂₂, а₃₃ элементов, расположенных в вершинах треугольников, основания которых параллельны главной диагонали (рис. 21); с другой стороны, произведение а₁₃, а₂₂, а₃₁ элементов побочной диагонали, а также произведения а₁₂, а₂₁, а₃₃ и а₁₁, а₂₃, а₃₂ — с противоположным знаком (рис.22). Такой подход к вычислению определителя третьего порядка называется правилом треугольника.

Пример:

Вычислить определитель

Применяя правило треугольника, находим

Установим некоторые свойства определителей 3-го порядка, легко проверяемые при помощи разложений (1) и (2).

Свойство:

Величина определителя не изменится, если все его строки заменить его столбцами с теми же номерами

Свойство:

При перестановке любых двух строк (или любых двух столбцов) определителя он изменяет свой знак на противоположный.

Свойство:

Общий множитель всех элементов одной строки (или одного столбца) определителя можно вынести за знак определителя

Следующие три свойства определителя вытекают из свойств 1-3. Впрочем, в их справедливости можно убедиться и непосредственно, пользуясь формулами (1) и (2).

Свойство:

Если определитель имеет две равные строки (или дна равных столбца), то он равен нулю.

Свойство:

Если все элементы некоторой строки (или некоторого столбца) равны нулю, то и сам определитель равен нулю.

Свойство:

Если соответствующие элементы двух строк (или двух столбцов) пропорциональны, то определитель равен нулю.

Укажем еще один способ вычисления определителя 3-го порядка

Минором M_ij элемента a_ij определителя ∆ называется определитель, получаемый изданного путем вычеркивания элементов i-й строки и j-ro столбца, на пересечении которых находится этот элемент. Например, минором элемента a₂₃ будет определитель

Алгебраическим дополнением элемента A_ij называется минор M_ij — этого элемента, взятый со своим знаком, если сумма i + j номеров строки и столбца, на пересечении которых расположен элемент a_ij, есть число четное, и с противоположным знаком, если это число нечетное:

Теорема:

Определитель равен сумме произведений элементов любой его строки (любого его столбца) на их алгебраические дополнения, так что имеют место следующие равенства

Покажем, например, что

Пользуясь формулой (2), получаем, что

Правило (3) называется разложением определителя по элементам i-й строки, а правило (4) — разложением определителя по элементам j -го столбца.

Пример:

Вычислить определитель

Раскладывая определитель по элементам 1-ой строки, получим

Понятия связанного и свободного векторов

Рассмотрим две точки А и В. По соединяющему их отрезку можно перемещаться в любом из двух противоположных направлений. Если считать, например, точку А начальной, а точку В конечной, то тогда получаем направленный отрезок АВ, в другом случае — направленный отрезок В А. Направленные отрезки часто называют связанными или закрепленными векторами. На чертеже заданное направление указывается стрелкой (рис. 1).

В случае, когда начальная и конечная точки совпадают, А = В, связанный вектор называется нулевым.

Определение:

Будем говорить, что связанные векторы АВ и CD равны, если середины отрезков AD и ВС совпадают (рис. 2).

Обозначение:

А В = CD.

Заметим, что в случае, когда точки А, В, С и D не лежат на одной прямой, это равносильно тому, что четырехугольник ABCD — параллелограмм. Ясно, что равные связанные векторы имеют равные длины.

Пример:

Рассмотрим квадрат и выберем векторы, как указано на рис.3. Векторы АВ и DC равны, а векторы ВС и DA не равны.

Укажем некоторые свойства равных связанных векторов:

Каждый связанный вектор равен самому себе: АВ = АВ.
Если АВ = CD, той CD = АВ.
Если АВ = CD и CD = EF,то АВ = EF (рис.4).

Пусть АВ — заданный связанный вектор и С — произвольная точка. Ясно, что, опираясь на определение, всегда можно построить точку D так, чтобы

CD = АВ.

Тем самым, от каждой точки можно отложить связанный вектор, равный исходному (рис. 5).

Мы будем рассматривать свободные векторы, т. е. такие векторы, начальную точку которых можно выбирать произвольно, или, что то же самое, которые можно произвольно переносить параллельно самим себе. Ясно, что свободный вектор однозначно определяется заданием связанного вектора АВ.

Если в качестве начальных выбирать лишь те точки, которые лежат на прямой, определяемой заданным (ненулевым) связанным вектором, то мы приходим к понятию скользящего вектора (рис. 6).

Связанные и скользящие векторы широко используются в теоретической механике.

Для обозначен ия свободных векторов будем пользоваться полужирными строчными латинскими буквами — а, b, с,… ; нулевой вектор обозначается через 0.

Пусть заданы вектор а и точка А. Существует ровно одна точка В, для которой

= а

(рис.7). Операция построения связанного вектора АВ, для которого выполняется это равенство, называется откладыванием свободного вектора а от точки А.

Заметим, что связанные векторы, получаемые в результате описанной операции откладывания, равны между собой и, значит, имеют одинаковую дли ну. Это позволяет ввести длину свободного вектора а, которую мы будем обозначать символом |а. Длина нулевого вектора равна нулю. Если а = b, то |а| = |b; обратное неверно.

Линейные операции над векторами

Сложение векторов

Пусть заданы два вектора а и b. Возьмем какую-нибудь точку О и отложим от нее вектор a: = а. От полученной точки А отложим вектор b: = b. Полученный в результате вектор называется суммой векторов а и b и обозначается через a + b (рис. 8). Этот способ построения суммы векторов называется правилом треугольника.

Нетрудно заметить, что сложение векторов коммутативно, т. е. для любых векторов а и b справедливо равенство

Если отложить векторы а и 1» от обшей точки О и построить на них как на сторонах параллелограмм, то вектор , идущий из общего начала О в противоположную вершину параллелограмма, будет их суммой а + b (или b +а) (рис. 10). Этот способ построения суммы векторов называется правилом параллелограмма.

Пусть заданы три вектора, например, a, b и с. Отложим от произвольной точки О вектор a: = а; от полученной точки А отложим вектор b: = b; отточки В — вектор с: = с (рис. 11). По определению суммы — а + b и = (а + b) + с (рис. 12). С другой стороны, АС = b + с и, значит, ОС = а + (Ь + с) (рис. 13). Тем самым, для любых векторов a, b и с выполняется равенство

(а +b) + с = а + (b + с),

т. е. сложение векторов ассоциативно. Опуская скобки, можно говорить о сумме трех векторов и записывать ее так:

а + b + с.

Аналогично определяется сумма любого числа векторов: это есть вектор, который замыкает ломаную, построенную из заданных векторов. На рис. 14 показан», как построить сумму семи векторов:

Приведенный способ сложения произвольного числа векторов называется правилом замыкающего ломаную.

Пример:

Найти сумму векторов, идущих из центра правильного шестиугольника в его вершины.

По правилу замыкающего ломаную получаем

(рис. 15).

Умножение вектора на число

Определение:

Свободные векторы а и b называются коллинеарными, если определяющие их связанные векторы лежат на параллельных или на совпадающих прямых (рис. 16).

Обозначение: а||b.

Замечание:

Из определения следует, что если хотя бы один из векторов a и b нулевой, то они коллинеарны.

Если отложить коллинеарные векторы а и b от обшей точки О, = n, = Ь, то точки О, А н В будут лежать на одной прямой. При этом возможны два случая: точки А и В располагаются на этой прямой: 1) по одну сторону от точки О, 2) по разные стороны (рис. 17). В первом случае векторы а и b называются одинаково направленными, а во втором — противоположно направленными.

Если векторы имеют равные длины и одинаково направлены, то они равны. Пусть а — вектор, λ — вещественное число.

Определение:

Произведением вектора а на число λ называется вектор b такой, что

|Ь| = |λ| • |а|;

2) векторы а и b одинаково (соответственно, противоположно) направлены, если λ > 0 (соответственно, λ < 0).
Обозначение: b = λа.

При λ = 0 положим λа = 0.

Таким образом, векторы а и Ь = λа коллинеарны по определению. Верной обратное: если векторы а(а ≠ 0) и Ь коллинеарны, то можно найти число А такое, что h = λа.

Укажем основные свойства этой операции умножения вектора на число:

(здесь λ и μ — любые действительные числа, а и Ь — произвольные векторы).
Определение:

Вектор, длина которого равна единице, называется единичным вектором, или ортом, и обозначается а° (читается: а с нуликом), |а°| = 1.
Если а ≠ 0, то вектор

есть единичный вектор (орт) направления вектора а (рис. 18).

Координаты и компоненты вектора

Выберем в пространстве прямоугольную декартову систему координат. Обозначим через i, j, к единичные векторы (орты) положительных направлений осей Ox, Оу, Oz (рис. 19). Рассмотрим произвольный вектор п, начало которого лежит в начале координат О, а конец — в точке А. Проведем через точку А плоскости, перпендикулярные осям Ох, Оу и Oz. Эти плоскости пересекут координатные оси в точках Р, Q и R соответственно. Из рис. 20 видно, что

Векторы коллинеарны соответственно единичным векторам i, j, k,

поэтому найдутся числа х, у, z такие, что

и, следовательно,

а = xi + yj + zk. (2)

Формула (2) называется разложением вектора а по векторам i, j, к. Указанным способом всякий вектор может быть разложен по векторам i, j, k.

Векторы i, j, к попарно ортогональны, и их длины равны единице. Тройку i, j, k называют ортонормированным (координатным) базисом (ортобазисом).

Можно показать, что для каждого вектора а разложение (2) по базису i, j, к единственно, т. е. коэффициенты х, у, z в разложении вектора а по векторам i, j, к определены однозначно. Эти коэффициенты называются координатами вектора а. Они совпадают с координатами х, у, z точки А — конца вектора а. Мы пишем в этом случае

а = {х, y,z}.

Эта запись означает, что свободный вектор а однозначно задастся упорядоченной тройкой своих координат. Векторы xi, yj, zk, сумма которых равна вектору а, называются компонентами вектора а.

Из вышеизложенного следует, что два вектора а = { х₁, у₁, z₁ } и b = {х₂, у₂, z₂} равны тогда и только тогда, когда соответственно равны их координаты, т. е.

Радиус-вектором точки М(х,у, z) называется вектор г = xi + yj + zk, идущий из начала координат О в точку М (рис. 21).

Линейные операции над векторами в координатах

Пусть имеем два вектора а = { х₁, у₁, z₁} и b = { х₂, у₂, z₂ },так что а = х₁i, у₁j+ z₁k. b = х₂i+ у₂j+z₂k. На основании правила сложения векторов имеем

или, что то же,

— при сложении векторов их координаты попарно складываются. Аналогично получаем

Далее,

или, что то же,

— при умножении вектора на число все его координаты умножаются на это число.
Пусть а = { х₁, у₁, z₁}, b = { х₂, у₂, z₂ } — коллинеарные векторы, причем b ≠ 0. Тогда а = μb, т.е.

или (3)

Обратно, если выполняются соотношения (3), то а = μb, т. е. векторы a и b коллинеарны.

Таким образом, векторы а и b коллинеарны тогда и только тогда, когда их координаты пропорциональны.

Пример:

Найти координаты вектора начало которого находится в точке М₁ ( х₁, у₁, z₁ ). а конец — в точке M₂ (х₂, у₂, z₂).
Из рис. 22 видно, что = r₂ — r₁ , где r₂, r₁ — радиус-векторы точек М₁ и M₂ соответственно. Поэтому

— координаты вектора ММг равны разностям одноименных координат конечной М2 и начальной М точек этого вектора.

Проекция вектора на ось

Рассмотрим на оси l ненулевой направленный отрезок АВ (рис.23). Величиной направленного отрезка АВ на оси l называется число, равное длине отрезка АВ, взятой со знаком «+», если направление отрезка АВ совпадаете направлением оси l, и со знаком «-», если эти направления противоположны.

Рассмотрим теперь произвольный вектор , определяемый связанным вектором АВ. Опуская из его начала и конца перпендикуляры на заданную ось l, построим на ней направленный отрезок CD (рис. 24).

Определение:

Проекцией вектора на ось l называется величина направленного отрезка CD, построенного указанным выше способом.

Обозначение:

Основные свойства проекций

Проекция вектора АВ на какую-либо ось l равна произведению длины вектора на косинус угла между осью и этим вектором (рис. 25)
Проекция суммы векторов на какую-либо ось l равна сумме проекций векторов на ту же ось.

Например,

(рис. 26).

Скалярное произведение векторов

Пусть имеем два вектора a и b.

Определение:

Скалярным произведением вектора а на вектор b называется число, обозначаемое символом (а, b) и определяемое равенством

(1)
где φ, или в иной записи (), есть угол между векторами а и b (рис. 27 а).
Заметив, что |b| cos φ есть проекция вектора b на направление вектора а, можем написать

(рис. 27 б) и, аналогично,’ (2)

(рис. 27 в), т.е. скалярное произведение двух векторов равно длине одного из них, помноженной на проекцию на него другого вектора. В случае, если один из векторов а или b — нулевой, будем считать, что

(a, b) = 0.

Свойства скалярного произведения

Скалярное произведение обращается в нуль в том и только в том случае, когда по крайней мере один из перемножаемых векторов является нулевым или когда векторы а и b ортогональны, a ⊥ b.

Это следует из формулы (1), определяющей скалярное произведение.

Поскольку направление нулевого вектора не определено, мы можем его считать ортогональным любому вектору. Поэтому указанное свойство скалярного произведения можно сформулировать так:

2. Скалярное произведение коммутативно:

(а, b) = (b, а).

Справедливость утверждения вытекает из формулы (I), если учесть четность функции cos φ: cos(- φ) = cos φ.

3. Скалярное произведение обладает распределительным свойством относительно сложения:

(а + b, с) = (а, с) + (b, c).

Действительно,

4. Числовой множитель А можно выносить за знак скалярного произведения

(λа, b) = (а, λb) = λ (а, b).

Действительно, пусть λ > 0. Тогда

поскольку при λ > 0 углы () и (λ) равны (рис.28).

Аналогично рассматривается случай λ < 0. При λ = 0 свойство 4 очевидно.

Замечание:

В общeм случае (а, b)c ≠ a(b, c).

Скалярное произведение векторов, заданных координатами

Пусть векторы а и b заданы своими координатами в ортонормированном базисе i, j, k:

Рассмотрим скалярное произведение векторов а и b:

Пользуясь распределительным свойством скалярного произведения, находим

Учитывая, что

получаем (4)

То есть, если векторы а и b заданы своими координатами в ортонормированном базисе, то их скалярное произведение равно сумме произведений одноименных координат.

Пример:

Найти скалярное произведение векторов n = 4i — 2j + k и b = 6i + 3j + 2k.

(a, b) = 4 • 6 + (-2) • 3 + 1 • 2 = 20.

Скалярное произведение вектора на себя называется скалярным квадратом:

(а, а) = а².

Применяя формулу (4) при b = а, найдем (5)

С другой стороны,

так что из (5) следует, что (6)

— в ортонормированном базисе длина вектора равна квадратному корню из суммы квадратов его координат.

Косинус угла между векторами. Направляющие косинусы

Согласно определению

(а, b) = |а| • |b| • cos φ,

где φ — у гол между векторами а и b. Из этой формулы получаем
(7)

(предполагается, что векторы а и b — ненулевые).

Пусть а = { х₁, у₁, z₁}, b = { х₂, у₂, z₂ }. Тогда формула (7) примет следующий вид

Пример:

Найти угол между векторами a = {2, -4,4,} и d = {-3,2,6}. Пользуясь формулой (8), находим

Пусть b = i, T.e. b = {1,0,0}. Тогда для всякого вектора а = { х₁, у₁, z₁} ≠ 0 имеем

или, в координатной записи, (9)

где а есть угол, образованный вектором я с осью Ох. Аналогично получаем формулы

Формулы (9)-(11) определяют направляющие косинусы вектора а, т. е. косинусы углов, образуемых вектором n с осями координат (рис. 29).

Пример:

Найти координаты единичного вектора n°. По условию | n°| = 1. Пусть n° = zi+ yj+ zk. Тогда

Таким образом, координатами единичного вектора являются косинусы углов, образованных этим вектором с осями координат:

Отсюда получаем

Пример:

Пусть единичный вектор n° ортогонален оси z:

(рис. 30). Тогда его координаты г и у соответственно равны

x=cos φ, y = sin φ.

Тем самым,

Векторное произведение векторов

Определение:

Векторным произведением вектора а на вектор b называется вектор, обозначаемый символом [a, b] (или a х b), такой, что

1) длина вектора [а, b] равна |а| • |Ь| • sin φ, где φ — угол между векторами а и b (рис.31);

2) вектор [а, b] перпендикулярен векторам а и b, т.е. перпендикулярен плоскости этих векторов;

3) вектор [а, Ь] направлен так, что из конца этого вектора кратчайший поворот от л к Ь виден происходящим против часовой стрелки (рис. 32).

Иными словами, векторы я, b и [a, b] образуют правую тройку векторов, т.е. расположены так, как большой, указательный и средний пальцы правой руки. В случае, если векторы a и b коллинеарны, будем считать, что [a, b] = 0.

По определению длина векторного произведения (1)

численно равна площади параллелограмма (рис.33), построенного на перемножаемых векторах a и b как на сторонах:

|[a, b]| = .

Свойства векторного произведения

Векторное произведение равно нулевому вектору тогда и только тогда, когда по крайней мере один из перемножаемых векторов является нулевым или когда эти векторы коллинеарны (если векторы я и b коллинеарны, то угол между ними равен либо 0, либо тг).

Это легко получить из того, что |[a, b]| = |a| • |b| • sin φ.

Если считать нулевой вектор коллинеарным любому вектору, то условие коллинеарности векторов a и b можно выразить так

2. Векторное произведение антикоммутативно, т. е. всегда (2)

В самом деле, векторы [а, b] и [b, а] имеют одинаковую длину и коллинеарны. Направления же этих векторов противоположны, так как из конца вектора [a, b] кратчайший поворот от a к b будет виден происходящим против часовой стрелки, а из конца вектора [b, a] — почасовой стрелке (рис. 34).

3. Векторное произведение обладает распределительным свойством по отношению к сложению

4. Числовой множитель λ можно выносить за знак векторного произведения

Векторное произведение векторов, заданных координатами

Пусть векторы a и b заданы своими координатами в базисе i,j, k: а = { х₁, у₁, z₁}, b = { х₂, у₂, z₂ }. Пользуясь распределительным свойством векторного произведения, находим (3)

Выпишем векторные произведения координатных ортов (рис. 35):

Поэтому для векторного произведения векторов a и b получаем из формулы (3) следующее выражение (4)

Формулу (4) можно записать в символической, легко запоминающейся форме, если воспользоваться определителем 3-го порядка: (5)

Разлагая этот определитель по элементам 1-й строки, получим (4). Примеры:

Найти площадь параллелограмма, построенного на векторах а = i + j- k, b = 2i + j- k.

Искомая площадь = |[а, b]. Поэтому находим

откуда

2. Найти площадь треугольника ОАВ (рис.36).

Ясно, что площадь S∆ треугольника ОАВ равна половине площади S параллелограмма О АС В. Вычисляя векторное произведение [a, b] векторов a= и b = , получаем

Отсюда

Замечание:

Векторное произведение не ассоциативно, т.е. равенство [[а, b], с] = [а, b,с]] в общем случае неверно. Например, при а = i, b = j. c= j имеем

Смешанное произведение векторов

Пусть имеем три вектора а, b и с. Перемножим векторы а и b векторно. В результате получим вектор [а, b). Умножим его скалярно на вектор с:

([a, b], с).

Число ([а, b], с) называется смешанным произведением векторов а, b, с и обозначается символом (а, b, с).

Геометрический смысл смешанного произведения

Отложим векторы а, b и с от общей точки О (рис. 37). Если все четыре точки О, А, В, С лежат в одной плоскости (векторы a, b и с называются в этом случае компланарными), то смешанное произведение ([а, b], с) = 0. Это следует из того, что вектор [а, b] перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы а и b, а значит, и вектору с.

Если же точки О, А, В, С не лежат в одной плоскости (векторы a, b и с некомпланарны), построим на ребрах OA, OB и ОС параллелепипед (рис. 38 а). По определению векторного произведения имеем

где — площадь параллелограмма OADB, а с — единичный вектор, перпендикулярный векторам а и b и такой, что тройка а, b, с — правая, т. е. векторы a, b и с расположены соответственно как большой, указательный и средний пальцы правой руки (рис. 38 6).

Умножая обе части последнего равенства справа скалярно на вектор с, получаем, что

Число ргe с равно высоте h построенного параллелепипеда, взятого со знаком « + », если угол ip между векторами с и с острый (тройка а, b, с — правая), и со знаком «-», если угол — тупой (тройка а, b, с — левая), так что

Тем самым, смешанное произведение векторов a, b и с равно объему V параллелепипеда, построенного на этих векторах как на ребрах, если тройка а, b, с — правая, и -V, если тройка а, b, с — левая.

Исходя из геометрического смысла смешанного произведения, можно заключить, что, перемножая те же векторы a, b и с в любом другом порядке, мы всегда будем О получать либо +V, либо -V. Знак произведения будет зависеть лишь от того, какую тройку образуют перемножаемые векторы — правую или левую. Если векторы а, b, с образуют правую тройку, то правыми будут также тройки b, с, а и с, а, b. В то же время все три тройки b, а, с; а, с, b и с, b, а — левые. Тем самым,

(а, b, с) = (b, с, а) = (с, a,b) = -(b, а, с) = -(а, с, b) = -(с, b, а).

Еще раз подчеркнем, что смешанное произведение векторов равно нулю тогда и только тогда, когда перемножаемые векторы а, b, с компланарны:

{а, b, с компланарны} <=> (а, b, с) = 0.

Смешанное произведение в координатах

Пусть векторы а, b, с заданы своими координатами в базисе i, j, k:

Найдем выражение для их смешанного произведения (а, b, с). Имеем

Откуда

Итак,

— смешанное произведение векторов, заданных своими координатами в базисе i, j, k, равно определителю третьего порядка, строки которого составлены соответственно из координат первого, второго и третьего из перемножаемых векторов.

Необходимое и достаточное условие компланарности векторов а = { х₁, у₁, z₁}, b = { х₂, у₂, z₂ }, c = { х₃, у₃, z₃} запишется в следующем виде

Пример:

Проверить, компланарны ли векторы

a = {7, 4,-6}, b = {2, 1,1}, с ={19, 11,17}.

Рассматриваемые векторы будут компланарны или некомпланарны в зависимости от того, будет равен нулю или нет определитель

Разлагая его по элементам первой строки, получим

Двойное векторное произведение

Двойное векторное произведение [а, [b, с]] представляет собой вектор, перпендикулярный к векторам а и [b, с]. Поэтому он лежит в плоскости векторов b и с и может быть разложен по этим векторам. Можно показать, что справедлива формула

[а, [b, с]] = b(а, с) — с(а, b).

Решение заданий и задач по предметам:

Математика
Высшая математика
Математический анализ
Линейная алгебра

Дополнительные лекции по высшей математике:

Тождественные преобразования алгебраических выражений
Функции и графики
Преобразования графиков функций
Квадратная функция и её графики
Алгебраические неравенства
Неравенства
Неравенства с переменными
Прогрессии в математике
Арифметическая прогрессия
Геометрическая прогрессия
Показатели в математике
Логарифмы в математике
Исследование уравнений
Уравнения высших степеней
Уравнения высших степеней с одним неизвестным
Комплексные числа
Непрерывная дробь (цепная дробь)
Алгебраические уравнения
Неопределенные уравнения
Соединения
Бином Ньютона
Число е
Непрерывные дроби
Функция
Исследование функций
Предел
Интеграл
Двойной интеграл
Тройной интеграл
Интегрирование
Неопределённый интеграл
Определенный интеграл
Криволинейные интегралы
Поверхностные интегралы
Несобственные интегралы
Кратные интегралы
Интегралы, зависящие от параметра
Квадратный трехчлен
Производная
Применение производной к исследованию функций
Приложения производной
Дифференциал функции
Дифференцирование в математике
Формулы и правила дифференцирования
Дифференциальное исчисление
Дифференциальные уравнения
Дифференциальные уравнения первого порядка
Дифференциальные уравнения высших порядков
Дифференциальные уравнения в частных производных
Тригонометрические функции
Тригонометрические уравнения и неравенства
Показательная функция
Показательные уравнения
Обобщенная степень
Взаимно обратные функции
Логарифмическая функция
Уравнения и неравенства
Положительные и отрицательные числа
Алгебраические выражения
Иррациональные алгебраические выражения
Преобразование алгебраических выражений
Преобразование дробных алгебраических выражений
Разложение многочленов на множители
Многочлены от одного переменного
Алгебраические дроби
Пропорции
Уравнения
Системы уравнений
Системы уравнений высших степеней
Системы алгебраических уравнений
Системы линейных уравнений
Системы дифференциальных уравнений
Арифметический квадратный корень
Квадратные и кубические корни
Извлечение квадратного корня
Рациональные числа
Иррациональные числа
Арифметический корень
Квадратные уравнения
Иррациональные уравнения
Последовательность
Ряды сходящиеся и расходящиеся
Тригонометрические функции произвольного угла
Тригонометрические формулы
Обратные тригонометрические функции
Теорема Безу
Математическая индукция
Показатель степени
Показательные функции и логарифмы
Множество
Множество действительных чисел
Числовые множества
Преобразование рациональных выражений
Преобразование иррациональных выражений
Геометрия
Действительные числа
Степени и корни
Степень с рациональным показателем
Тригонометрические функции угла
Тригонометрические функции числового аргумента
Тригонометрические выражения и их преобразования
Преобразование тригонометрических выражений
Комбинаторика
Вычислительная математика
Прямая линия на плоскости и ее уравнения
Прямая и плоскость
Линии и уравнения
Прямая линия
Уравнения прямой и плоскости в пространстве
Кривые второго порядка
Кривые и поверхности второго порядка
Числовые ряды
Степенные ряды
Ряды Фурье
Преобразование Фурье
Функциональные ряды
Функции многих переменных
Метод координат
Гармонический анализ
Вещественные числа
Предел последовательности
Аналитическая геометрия
Аналитическая геометрия на плоскости
Аналитическая геометрия в пространстве
Функции одной переменной
Высшая алгебра
Векторный анализ
Векторы
Скалярное произведение векторов
Векторное произведение векторов
Смешанное произведение векторов
Операции над векторами
Непрерывность функций
Предел и непрерывность функций нескольких переменных
Предел и непрерывность функции одной переменной
Производные и дифференциалы функции одной переменной
Частные производные и дифференцируемость функций нескольких переменных
Дифференциальное исчисление функции одной переменной
Матрицы
Линейные и евклидовы пространства
Линейные отображения
Дифференциальные теоремы о среднем
Теория устойчивости дифференциальных уравнений
Функции комплексного переменного
Преобразование Лапласа
Теории поля
Операционное исчисление
Системы координат
Рациональная функция
Интегральное исчисление
Интегральное исчисление функций одной переменной
Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
Отношение в математике
Математическая логика
Графы в математике
Линейные пространства
Первообразная и неопределенный интеграл
Линейная функция
Выпуклые множества точек
Система координат

Источник

Векторы

Действия над векторами

Умножение вектора на число

Скалярное произведение векторов

Векторное произведение

Смешенное произведение векторов

Разложение вектора по базису

Действия над векторами, заданными своими координатами

Действия над векторами (теория)

Проекция вектора на ось

Проекции вектора на оси координат

Направляющие косинусы вектора

Разложение вектора по ортам

Действия над векторами, заданными в координатной форме

Вектор – основные определения

Операции над векторами и их свойства

Сформулируем и докажем ещё одну важную для решения некоторых задач теорему.

Координаты вектора

Скалярное произведение векторов и его свойства

Примеры с решением

Задача 1.

Задача 2.

Векторы и их решение

Собственные числа и собственные векторы

Векторная алгебра

Векторы: основные определения, линейные операции

Линейные операции над векторами

Умножения вектора на скаляр

Основные свойства проекции вектора на ось

Прямоугольная система координат в пространстве. Координатная и алгебраическая формы задания векторов

Скалярное, векторное, смешанное произведения векторов

Векторное произведение двух векторов

Смешанное произведение векторов, заданных в координатной форме

Простейшие задачи аналитической геометрии

Задача об определении площади треугольника

Задача о деление отрезка в заданном отношении

Векторы в пространстве и метод координат

Система координат в пространстве

Плоскость в пространстве задается уравнением:

Примеры задач решаемых с применением векторной алгебры

Векторная алгебра — решение заданий и задач по всем темам с вычислением

Понятие вектора. Линейные операции над векторами

Скалярное произведение векторов

Векторное произведение векторов

Смешанное произведение векторов

Основные понятия векторной алгебры

Прямоугольные декартовы координаты

Координатная ось

Прямоугольные декартовы координаты на плоскости

Прямоугольные декартовы координаты в пространстве

Полярные координаты

Определители 2-го и 3-го порядков

Понятия связанного и свободного векторов

Линейные операции над векторами

Сложение векторов

Умножение вектора на число

Координаты и компоненты вектора

Линейные операции над векторами в координатах

Проекция вектора на ось

Основные свойства проекций

Скалярное произведение векторов

Свойства скалярного произведения

Скалярное произведение векторов, заданных координатами

Косинус угла между векторами. Направляющие косинусы

Векторное произведение векторов

Свойства векторного произведения

Векторное произведение векторов, заданных координатами

Смешанное произведение векторов

Геометрический смысл смешанного произведения

Смешанное произведение в координатах

Двойное векторное произведение

Вам также может понравиться

Как найти нужные семена цветов

Как найти периметр неравнобедренного треугольника

Как найти диагональ параллелепипеда зная диагональ основания

Добавить комментарий Отменить ответ