Дія над векторами фізики. Операції над векторами та їх властивості. Як і коли застосовується правило багатокутника

Нарешті у мене дісталися руки до великої та довгоочікуваної теми. аналітичної геометрії. Спочатку трохи про цей розділ вищої математики. Напевно, вам зараз згадався курс шкільної геометрії з численними теоремами, їх доказами, кресленнями тощо. Що приховувати, зненавиджений і часто малозрозумілий предмет для значної частки учнів. Аналітична геометрія, як не дивно, може здатися більш цікавою та доступною. Що означає прикметник «аналітична»? На думку відразу приходять два штамповані математичні обороти: «графічний метод рішення» та «аналітичний метод рішення». Графічний метод, Зрозуміло, пов'язані з побудовою графіків, креслень. Аналітичнийж методпередбачає вирішення завдань переважноза допомогою алгебраїчних процесів. У зв'язку з цим алгоритм розв'язання практично всіх завдань аналітичної геометрії простий і прозорий, часто досить акуратно застосувати потрібні формули – і відповідь готова! Ні, звичайно, зовсім без креслень тут не обійдеться, до того ж для кращого розуміння матеріалу я намагатимусь наводити їх понад необхідність.

Відкривається курс уроків з геометрії не претендує на теоретичну повноту, він орієнтований рішення практичних завдань. Я включу у свої лекції тільки те, що, на мій погляд, є важливим у практичному плані. Якщо вам потрібна повна довідка по якомусь підрозділу, рекомендую наступну цілком доступну літературу:

1) Річ, з якою, без жартів, знайомо кілька поколінь: Шкільний підручник з геометрії, автори – Л.С. Атанасян та Компанія. Ця вішалка шкільної роздягальні вже витримала 20 (!) перевидань, що, звичайно, не є межею.

2) Геометрія у 2 томах. Автори Л.С. Атанасян, Базильов В.Т. Це література для вищої школи, вам знадобиться перший том. З мого поля зору можуть випадати завдання, що рідко зустрічаються, і навчальний посібник надасть неоціненну допомогу.

Обидві книги можна завантажити безкоштовно в Інтернеті. Крім того, можете використовувати мій архів із готовими рішеннями, який можна знайти на сторінці Завантажити приклади з вищої математики.

З інструментальних засобів пропоную знову ж таки власну розробку – програмний комплексз аналітичної геометрії, який значно спростить життя та заощадить масу часу.

Передбачається, що читач знайомий з базовими геометричними поняттями та фігурами: точка, пряма, площина, трикутник, паралелограм, паралелепіпед, куб і т.д. Бажано пам'ятати деякі теореми, хоча б теорему Піфагора, привіт другорічникам)

Нині ж ми послідовно розглянемо: поняття вектора, дії з векторами, координати вектора. Далі рекомендую прочитати найважливішу статтю Скалярний добуток векторів, а також і Векторний та змішаний твір векторів. Не зайвою буде і локальне завдання - Розподіл відрізка в цьому відношенні. На основі вищезгаданої інформації можна освоїти рівняння прямої на площиніз найпростішими прикладами рішеньщо дозволить навчитися вирішувати завдання з геометрії. Також корисні такі статті: Рівняння площини у просторі, Рівняння прямої у просторі, Основні завдання на пряму та площину, інші розділи аналітичної геометрії. Природно, принагідно розглядатимуть типові завдання.

Концепція вектор. Вільний вектор

Спочатку повторимо шкільне визначення вектора. Векторназивається спрямованийвідрізок, для якого вказано його початок та кінець:

У разі початком відрізка є точка , кінцем відрізка – точка . Сам вектор позначений через . Напряммає важливе значення, якщо переставити стрілку в інший кінець відрізка, то вийде вектор , і це вже зовсім інший вектор. Поняття вектора зручно ототожнювати з рухом фізичного тіла: погодьтеся, зайти в двері інституту або вийти з дверей інституту – це різні речі.

Окремі точки площини, простору зручно вважати так званим нульовим вектором. У такого вектора кінець і початок збігаються.

!!! Примітка: Тут і далі можете вважати, що вектори лежать в одній площині або вважати, що вони розташовані в просторі - суть матеріалу, що викладається, справедлива і для площини і для простору.

Позначення:Багато хто відразу звернув увагу на паличку без стрілочки в позначенні і сказав, там же зверху ще стрілку ставлять! Правильно, можна записати зі стрілкою: , але допустима і запис , який я використовуватиму надалі. Чому? Мабуть, така звичка склалася з практичних міркувань, надто різнокаліберними та волохатими виходили мої стрілки у школі та ВНЗ. У навчальній літературі іноді взагалі не морочаться клинописом, а виділяють букви жирним шрифтом: , маючи на увазі тим самим, що це вектор.

То була стилістика, а зараз про способи запису векторів:

1) Вектори можна записати двома великими латинськими літерами:
і так далі. При цьому перша літера обов'язковопозначає точку-початок вектора, а друга літера - точку-кінець вектора.

2) Вектори також записують маленькими латинськими літерами:
Зокрема, наш вектор можна для стислості перепозначити маленькою латинською літерою.

Довжиноюабо модулемненульового вектора називається довжина відрізка. Довжина нульового вектора дорівнює нулю. Логічно.

Довжина вектора позначається знаком модуля: ,

Як знаходити довжину вектора ми дізнаємося (або повторимо, для кого як) трохи згодом.

Це були елементарні відомості про вектор, знайомі всім школярам. В аналітичній геометрії розглядається так званий вільний вектор.

Якщо дуже просто – вектор можна відкласти від будь-якої точки:

Такі вектори ми звикли називати рівними (визначення рівних векторів буде дано нижче), але чисто з математичної точки зору це ОДИН І ТОЙ Ж ВЕКТОР або вільний вектор. Чому вільний? Тому що в ході вирішення завдань ви можете «прилаштувати» той чи інший вектор у БУДЬ-ЯКУ, потрібну вам точку площини або простору. Це дуже крута властивість! Уявіть вектор довільної довжини та напрямки – його можна «клонувати» нескінченну кількість разів і в будь-якій точці простору, по суті, він існує СКРІЗЬ. Є така студентська приказка: Кожному лектору в ж**у по вектору. Адже не просто дотепна рима, все математично коректно – вектор можна влаштувати і туди. Але не поспішайте радіти, частіше страждають самі студенти.

Отже, вільний вектор– це безліч однакових спрямованих відрізків. Шкільне визначення вектора, дане на початку параграфа: «Вектором називається спрямований відрізок…», має на увазі конкретнийспрямований відрізок, взятий з цієї множини, який прив'язаний до певної точки площини або простору.

Слід зазначити, що з погляду фізики поняття вільного вектора у випадку некоректно, і точка докладання вектора має значення. Дійсно, прямий удар однакової сили по носі чи по лобі вистачить розвивати мій безглуздий приклад спричиняє різні наслідки. Втім, невільнівектори зустрічаються і в курсі вышмата (не ходіть туди:)).

Дії з векторами. Колінеарність векторів

У шкільному курсі геометрії розглядається ряд дій та правил із векторами: додавання за правилом трикутника, додавання за правилом паралелограма, правило різниці векторів, множення вектора на число, скалярний добуток векторів та ін.Для затравки повторимо два правила, які особливо актуальні на вирішення завдань аналітичної геометрії.

Правило складання векторів за правилом трикутників

Розглянемо два довільні ненульові вектори і :

Потрібно знайти суму даних векторів. Через те, що всі вектори вважаються вільними, відкладемо вектор від кінцявектор :

Сумою векторів і є вектор. Для кращого розуміння правила в нього доцільно вкласти фізичний зміст: нехай деяке тіло зробило шлях вектором, а потім вектором. Тоді сума векторів є вектором результуючого шляху з початком у точці відправлення і кінцем у точці прибуття. Аналогічне правило формулюється для будь-якої кількості векторів. Як кажуть, тіло може пройти свій шлях сильно підданим по зигзагу, а може і на автопілоті - по результуючого вектора суми.

До речі, якщо вектор відкласти початкувектора , то вийде еквівалентне правило паралелограмадодавання векторів.

Спочатку про колінеарність векторів. Два вектори називаються колінеарнимиякщо вони лежать на одній прямій або на паралельних прямих. Грубо кажучи, йдеться про паралельні вектори. Але стосовно них завжди використовують прикметник «колінеарні».

Уявіть два колінеарні вектори. Якщо стрілки даних векторів спрямовані в однаковому напрямку, такі вектори називаються співспрямованими. Якщо стрілки дивляться в різні боки, вектори будуть протилежно спрямовані.

Позначення:колінеарність векторів записують звичним значком паралельності: при цьому можлива деталізація: (вектори сонаправлены) або (вектори спрямовані протилежно).

Творомненульового вектора на число є такий вектор, довжина якого дорівнює, причому вектори і сонаправлены і протилежно спрямовані при .

Правило множення вектора на число легко зрозуміти за допомогою малюнка:

Розбираємось детальніше:

1) Напрямок. Якщо множник негативний, то вектор змінює напрямокна протилежне.

2) Довжина. Якщо множник укладено в межах або , то довжина вектора зменшується. Так, довжина вектора вдвічі менша за довжину вектора . Якщо множник за модулем більше одиниці, то довжина вектора збільшуєтьсяв раз.

3) Зверніть увагу, що всі вектори колінеарніпри цьому один вектор виражений через інший, наприклад, . Назад теж справедливоЯкщо один вектор можна виразити через інший, то такі вектори обов'язково колінеарні. Таким чином: якщо ми множимо вектор на число, то вийде колінеарний(По відношенню до вихідного) вектор.

4) Вектори спрямовані. Вектори також співспрямовані. Будь-який вектор першої групи протилежно спрямований стосовно будь-якого вектора другої групи.

Які вектори є рівними?

Два вектори рівні, якщо вони спрямовані і мають однакову довжину. Зауважте, що сонаправленность передбачає колінеарність векторів. Визначення буде неточним (надлишковим), якщо сказати: «Два вектори рівні, якщо вони колінеарні, співспрямовані та мають однакову довжину».

З погляду поняття вільного вектора, рівні вектори – це той самий вектор, що вже йшлося у попередньому параграфі.

Координати вектора на площині та у просторі

Першим пунктом розглянемо вектори на площині. Зобразимо декартову прямокутну систему координат і від початку координат відкладемо одиничнівектори та :

Вектори та ортогональні. Ортогональні = Перпендикулярні. Рекомендую потихеньку звикати до термінів: замість паралельності та перпендикулярності використовуємо відповідно слова колінеарністьі ортогональність.

Позначення:ортогональність векторів записують звичною позначкою перпендикулярності, наприклад: .

Вектори, що розглядаються, називають координатними векторамиабо ортами. Дані вектори утворюють базисна площині. Що таке базис, думаю, інтуїтивно багатьом зрозуміло, більш детальну інформацію можна знайти у статті Лінійна (не) залежність векторів. Базис векторів.Простими словами, базис і початок координат задають всю систему - це своєрідний фундамент, на якому вирує повне і насичене геометричне життя.

Іноді побудований базис називають ортонормованимбазисом площини: «орто» – оскільки координатні вектори ортогональні, прикметник «нормований» означає одиничний, тобто. Довжина векторів базису дорівнює одиниці.

Позначення:базис зазвичай записують у круглих дужках, усередині яких у суворій послідовностіперераховуються базисні вектори, наприклад: . Координатні вектори не можнапереставляти місцями.

Будь-якийвектор площині єдиним чиномвиражається у вигляді:
, де - числаякі називаються координатами векторау цьому базисі. А сам вираз називається розкладання векторапо базису .

Вечеря подана:

Почнемо з першої літери алфавіту: . По кресленню добре видно, що з розкладанні вектора по базису використовуються щойно розглянуті:
1) правило множення вектора на число: і;
2) складання векторів за правилом трикутника: .

А тепер подумки відкладіть вектор від будь-якої іншої точки площини. Цілком очевидно, що його розкладання «невідступно слідуватиме за ним». Ось вона, свобода вектора - вектор "все носить при собі". Ця властивість, зрозуміло, слушна для будь-якого вектора. Смішно, що самі базисні (вільні) вектори не обов'язково відкладати від початку координат, один можна намалювати, наприклад, ліворуч унизу, а інший – праворуч вгорі, і від цього нічого не зміниться! Щоправда, робити так не потрібно, оскільки викладач теж виявить оригінальність і намалює вам зараховане в несподіваному місці.

Вектори , ілюструють в точності правило множення вектора на число, вектор направлений з базисним вектором , вектор направлений протилежно до базисного вектора . У даних векторів одна з координат дорівнює нулю, прискіпливо можна записати так:

А базисні вектори, до речі, так: (по суті вони виражаються самі через себе).

І наостанок: , . До речі, що таке віднімання векторів, і чому я не розповів про правило віднімання? Десь у лінійній алгебрі, вже не пам'ятаю де, я зазначав, що віднімання – це окремий випадок складання. Так, розкладання векторів «де» і «е» спокійнісінько записуються як суми: , . Переставте доданки місцями і простежте за кресленням, як чітко у цих ситуаціях працює старе добре складання векторів за правилом трикутника.

Розглянуте розкладання виду іноді називають розкладанням вектора у системі орт(Тобто в системі одиничних векторів). Але це не єдиний спосіб запису вектора, поширений наступний варіант:

Або зі знаком рівності:

Самі базисні вектори записуються так: і

Тобто, у круглих дужках зазначаються координати вектора. У практичних завданнях використовуються усі три варіанти запису.

сумнівався, чи говорити, але все-таки скажу: координати векторів переставляти не можна. Суворо на першому місцізаписуємо координату, яка відповідає одиничному вектору , суворо на другому місцізаписуємо координату, яка відповідає одиничному вектору. Справді, і – це два різних вектори.

З координатами на площині розібралися. Тепер розглянемо вектори в тривимірному просторі, тут практично так само! Тільки додасться ще одна координата. Тривимірні креслення виконувати важко, тому обмежуся одним вектором, який для простоти відкладу від початку координат:

Будь-якийвектор тривимірного простору можна єдиним способомрозкласти по ортонормованому базису:
, де - Координати вектора (числа) в даному базисі.

Приклад з картинки: . Давайте подивимося, як тут працюють правила дій із векторами. По-перше, множення вектора на число: (червона стрілка), (зелена стрілка) та (малінова стрілка). По-друге, перед вами приклад додавання кількох, у разі трьох, векторов: . Вектор суми починається у вихідній точці відправлення (початок вектора) і втикається у підсумкову точку прибуття (кінець вектора).

Всі вектори тривимірного простору, природно, теж вільні, спробуйте подумки відкласти вектор від будь-якої іншої точки, і ви зрозумієте, що його розкладання залишиться при ньому.

Аналогічно плоскому випадку, крім запису широко використовуються версії з дужками: або .

Якщо у розкладанні відсутня один (або два) координатні вектори, то замість них ставляться нулі. Приклади:
вектор (прискіпливо ) - Запишемо;
вектор (прискіпливо ) - Запишемо;
вектор (прискіпливо ) – запишемо.

Базисні вектори записуються так:

Ось, мабуть, і всі мінімальні теоретичні знання, необхідні вирішення завдань аналітичної геометрії. Можливо забагато термінів та визначень, тому чайникам рекомендую перечитати та осмислити цю інформацію ще раз. Та й будь-якому читачеві буде корисно іноді звертатися до базового уроку для кращого засвоєння матеріалу. Колінеарність, ортогональність, ортонормований базис, розкладання вектора – ці та інші поняття часто використовуватимуться надалі. Зазначу, що матеріалів сайту недостатньо для складання теоретичного заліку, колоквіуму з геометрії, тому що всі теореми (до того ж без доказів) я акуратно шифрую – на шкоду науковому стилю викладу, але плюсом до вашого розуміння предмета. Для отримання докладної теоретичної довідки прошу слідувати на уклін до професора Атанасяна.

А ми переходимо до практичної частини:

Найпростіші завдання аналітичної геометрії.
Дії з векторами в координатах

Завдання, які будуть розглянуті, дуже бажано навчитися вирішувати на повному автоматі, а формули запам'ятати напам'ять, навіть спеціально не запам'ятовувати, самі запам'ятаються =) Це дуже важливо, оскільки на найпростіших елементарних прикладах базуються інші завдання аналітичної геометрії, і буде прикро витрачати додатковий час на поїдання пішаків. Не потрібно застібати верхні гудзики на сорочці, багато речей знайомі вам зі школи.

Виклад матеріалу піде паралельним курсом – і площині, і простору. З тієї причини, що всі формули самі побачите.

Як знайти вектор по двох точках?

Якщо дані дві точки площини і , то вектор має такі координати:

Якщо дані дві точки простору і , то вектор має такі координати:

Тобто, з координат кінця векторапотрібно відняти відповідні координати початку вектора.

Завдання:Для тих самих точок запишіть формули знаходження координат вектора. Формули наприкінці уроку.

Приклад 1

Дано дві точки площини і . Знайти координати вектора

Рішення:за відповідною формулою:

Як варіант, можна було використати наступний запис:

Естети вирішать і так:

Особисто я звик до першої версії запису.

Відповідь:

За умовою не потрібно будувати креслення (що характерно для завдань аналітичної геометрії), але з метою пояснення деяких моментів чайникам, не полінуюся:

Обов'язково потрібно розуміти відмінність між координатами точок та координатами векторів:

Координати точок- Це звичайні координати у прямокутній системі координат. Відкладати крапки на координатній площині, гадаю, всі вміють ще з 5-6 класу. Кожна точка має суворе місце на площині, і переміщати їх кудись не можна.

Координати ж вектора- Це його розкладання по базису, в даному випадку. Будь-який вектор є вільним, тому за потреби ми легко можемо відкласти його від будь-якої іншої точки площини. Цікаво, що векторів можна взагалі будувати осі, прямокутну систему координат, потрібен лише базис, у разі ортонормований базис площини .

Записи координат точок і координат векторів начебто схожі: , а сенс координатабсолютно різний, і вам слід добре розуміти цю різницю. Ця відмінність, зрозуміло, справедлива і для простору.

Пані та панове, набиваємо руку:

Приклад 2

а) Дані точки та . Знайти вектори та .
б) Дані точки та . Знайти вектори та .
в) Дані точки та . Знайти вектори та .
г) Дані точки. Знайти вектори .

Мабуть, достатньо. Це приклади для самостійного рішення, постарайтеся ними не ігнорувати, окупиться;-). Креслення робити не потрібно. Рішення та відповіді наприкінці уроку.

Що важливо під час вирішення завдань аналітичної геометрії?Важливо бути гранично уважним, щоб не припуститися майстерної помилки «два плюс два і нулю». Відразу перепрошую, якщо де помилився =)

Як знайти довжину відрізка?

Довжина, як зазначалося, позначається знаком модуля.

Якщо дані дві точки площини і , то довжину відрізка можна обчислити за формулою

Якщо дані дві точки простору і , то довжину відрізка можна обчислити за формулою

Примітка: Формули залишаться коректними, якщо переставити місцями відповідні координати: і , але стандартніший перший варіант

Приклад 3

Рішення:за відповідною формулою:

Відповідь:

Для наочності виконаю креслення

Відрізок – це не вектор, і переміщати його кудись, звичайно, не можна. Крім того, якщо ви виконаєте креслення в масштабі: 1 од. = 1 см (дві зошити), то отриману відповідь можна перевірити звичайною лінійкою, безпосередньо вимірявши довжину відрізка.

Так, рішення коротке, але в ньому є ще кілька важливих моментів, які хотілося б пояснити:

По-перше, у відповіді ставимо розмірність: «одиниці». В умові не сказано, ЩО це, міліметри, сантиметри, метри чи кілометри. Тому математично грамотним рішенням буде загальне формулювання: «одиниці» – скорочено «од.».

По-друге, повторимо шкільний матеріал, який корисний не тільки для розглянутого завдання:

Зверніть увагу на важливий технічний прийом – винесення множника з-під кореня. В результаті обчислень у нас вийшов результат і хороший математичний стиль передбачає винесення множника з-під кореня (якщо це можливо). Докладніше процес виглядає так: . Звичайно, залишити відповідь у вигляді не буде помилкою - але недоліком точно і вагомим аргументом для причіпки з боку викладача.

Ось інші поширені випадки:

Нерідко під коренем виходить досить велика кількість, наприклад. Як бути у таких випадках? На калькуляторі перевіряємо, чи число ділиться на 4: . Так, розділилося націло, таким чином: . А може, число ще раз вдасться поділити на 4? . Таким чином: . У числа остання цифра непарна, тому розділити втретє на 4 явно не вдасться. Пробуємо поділити дев'ять: . В результаті:
Готово.

Висновок:якщо під коренем виходить невитягне націло число, то намагаємося винести множник з-під кореня - на калькуляторі перевіряємо, чи число на: 4, 9, 16, 25, 36, 49 і т.д.

У ході вирішення різних завдань коріння зустрічаються нерідко, завжди намагайтеся витягувати множники з-під кореня, щоб уникнути нижчої оцінки і непотрібних проблем з доопрацюванням ваших рішень за зауваженням викладача.

Давайте заразом повторимо зведення коренів у квадрат та інші ступені:

Правила дій зі ступенями у загальному вигляді можна знайти у шкільному підручнику з алгебри, але, гадаю, з наведених прикладів все чи майже все вже ясно.

Завдання для самостійного вирішення з відрізком у просторі:

Приклад 4

Дано крапки і . Знайти довжину відрізка.

Рішення та відповідь наприкінці уроку.

Як знайти довжину вектора?

Якщо дано вектор площини, його довжина обчислюється за такою формулою.

Якщо дано вектор простору, то його довжина обчислюється за формулою .

Визначення Упорядковану сукупність (x 1 , x 2 , ... , x n) n дійсних чисел називають n-вимірним вектором, а числа x i (i = ) - компонентами,або координатами,

приклад. Якщо, наприклад, деякий автомобільний завод має випустити у зміну 50 легкових автомобілів, 100 вантажних, 10 автобусів, 50 комплектів запчастин для легкових автомобілів та 150 комплектів для вантажних автомобілів та автобусів, то виробничу програму цього заводу можна записати у вигляді вектора (50, 100 10, 50, 150), що має п'ять компонент.

Позначення. Вектори позначають жирними малими літерами або літерами з рисою або стрілкою вгорі, наприклад, aабо. Два вектори називаються рівнимиякщо вони мають однакову кількість компонентів і їх відповідні компоненти рівні.

Компоненти вектора не можна міняти місцями, наприклад (3, 2, 5, 0, 1)та (2, 3, 5, 0, 1) різні вектори.
Операції над векторами.Твором x= (x 1, x 2, ..., x n) на дійсне числоλ називається векторλ x= (λ x 1, x 2, ..., x n).

Сумоюx= (x 1, x 2, ..., x n) і y= (y 1 , y 2 , ... ,y n) називається вектор x + y= (x 1 + y 1, x 2 + y 2, ..., x n + + y n).

Векторні простір. N -мірний векторний простір R n визначається як безліч всіх n-мірних векторів, для яких визначено операції множення на дійсні числа та додавання.

Економічна ілюстрація. Економічна ілюстрація n-вимірного векторного простору: простір благ (товарів). Під товаромми розумітимемо деяке благо чи послугу, що надійшли у продаж у певний час у певному місці. Припустимо, що є кінцеве число готівкових товарів n; кількості кожного з них, придбані споживачем, характеризуються набором товарів

x= (x 1, x 2, ..., x n),

де через x i позначається кількість i-го блага, набутого споживачем. Будемо вважати, що всі товари мають властивість довільної ділимості, так що може бути куплено будь-яку невід'ємну кількість кожного з них. Тоді всі можливі набори товарів є векторами простору товарів C = ( x= (x 1, x 2, ..., x n) x i ≥ 0, i = ).

Лінійна незалежність. Система e 1 , e 2 , ... , e m n-вимірних векторів називається лінійно залежноюякщо знайдуться такі числаλ 1 , λ 2 , ... , λ m , з яких хоча б одне відмінно від нуля, що виконується рівністьλ 1 e 1 + λ 2 e 2 +... + λ m e m = 0; в іншому випадку дана система векторів називається лінійно незалежною, тобто зазначена рівність можлива лише у разі, коли все . Геометричний зміст лінійної залежності векторів R 3 , що інтерпретуються як спрямовані відрізки, пояснюють такі теореми.

Теорема 1. Система, що складається з одного вектора, лінійно залежить тоді і тільки тоді, коли цей вектор нульовий.

Теорема 2. Для того щоб два вектори були лінійно залежні, необхідно і достатньо, щоб вони були колінеарні (паралельні).

Теорема 3 . Для того щоб три вектори були лінійно залежні, необхідно і достатньо, щоб вони були компланарні (лежали в одній площині).

Ліва та права трійки векторів. Трійка некомпланарних векторів a, b, cназивається правою, якщо спостерігачеві з їхнього загального початку обхід кінців векторів a, b, cу вказаному порядку здається таким, що відбувається за годинниковою стрілкою. В іншому випадку a, b, c -ліва трійка. Усі праві (або ліві) трійки векторів називаються однаково орієнтованими.

Базис та координати. Трійка e 1, e 2 , e 3 некомпланарних векторів у R 3 називається базисом, а самі вектори e 1, e 2 , e 3 - базисними. Будь-який вектор aможе бути єдиним чином розкладений за базовими векторами, тобто представлений у вигляді

а= x 1 e 1 + x 2 e 2 + x 3 e 3, (1.1)

числа x 1 , x 2 , x 3 у розкладанні (1.1) називаються координатамиaу базисі e 1, e 2 , e 3 і позначаються a(x 1, x 2, x 3).

Ортонормований базис. Якщо вектори e 1, e 2 , e 3 попарно перпендикулярні і довжина кожного з них дорівнює одиниці, то базис називається ортонормованим, а координати x 1 x 2 x 3 - прямокутними.Базисні вектори ортонормованого базису позначатимемо i, j, k.

Припускатимемо, що в просторі R 3 обрана права система декартових прямокутних координат (0, i, j, k}.

Векторний витвір. Векторним твором ана вектор bназивається вектор c, який визначається такими трьома умовами:

1. Довжина вектора cчисельно дорівнює площі паралелограма, побудованого на векторах aі b,тобто.
c= |a||b| sin ( a^b).

2. Вектор cперпендикулярний до кожного з векторів aі b.

3. Вектори a, bі c, взяті у вказаному порядку, утворюють праву трійку

Для векторного твору cвводиться позначення c =[ab] або
c = a × b.

Якщо вектори aі bколінеарні, то sin( a^b) = 0 і [ ab] = 0, зокрема, [ aa] = 0. Векторні твори ортів: [ ij]=k, [jk] = i, [ki]=j.

Якщо вектори aі bзадані у базисі i, j, kкоординатами a(a 1 , a 2 , a 3), b(b 1, b 2, b 3), то

Змішаний твір. Якщо векторний твір двох векторів аі bскалярно множиться на третій вектор c,то такий твір трьох векторів називається змішаним творомі позначається символом a b c.

Якщо вектори a, bі cу базисі i, j, kзадані своїми координатами
a(a 1 , a 2 , a 3), b(b 1, b 2, b 3), c(c 1 , c 2 , c 3), то

Змішаний твір має просте геометричне тлумачення - це скаляр, по абсолютній величині, рівний об'єму паралелепіпеда, побудованого на трьох даних векторах.

Якщо вектори утворюють праву трійку, їх змішаний твір є число позитивне, рівне зазначеному обсягу; якщо ж трійка a, b, c -ліва, то a b c<0 и V = - a b c, отже V =|a b c|.

Координати векторів, які у задачах першого розділу, передбачаються заданими щодо правого ортонормованого базису. Поодинокий вектор, спрямований вектор а,позначається символом ао. Символом r=ОМпозначається радіус-вектор точки М, символами а, АВ або|а|, | АВ|позначаються модулі векторів аі АВ.

приклад 1.2. Знайдіть кут між векторами a= 2m+4nі b= m-n, де mі n -одиничні вектори та кут між mі nдорівнює 120 о.

Рішення. Маємо: cos φ = ab/ab, ab =(2m+4n) (m-n) = 2m 2 - 4n 2 +2mn=
= 2 - 4+2cos120 o = - 2 + 2(-0.5) = -3; a = ; a 2 = (2m+4n) (2m+4n) =
= 4m 2 +16mn+16n 2 = 4+16(-0.5)+16=12, отже a = . b = ; b 2 =
= (m-n)(m-n) = m 2 -2mn+n 2 = 1-2(-0.5)+1 = 3, отже b = . Остаточно маємо: cosφ = = -1/2, φ = 120 o .

приклад 1.3.Знаючи вектори AB(-3,-2,6) та BC(-2,4,4), обчисліть довжину висоти AD трикутника ABC.

Рішення. Позначаючи площу трикутника ABC через S, отримаємо:
S = 1/2 BC AD. Тоді AD=2S/BC, BC= = = 6,
S = 1/2 | AB ×AC|. AC=AB+BCотже, вектор ACмає координати
. .

приклад 1.4 . Дано два вектори a(11,10,2) та b(4,0,3). Знайдіть одиничний вектор c,ортогональний вектор aі bі спрямований так, щоб упорядкована трійка векторів a, b, cбула правою.

Рішення.Позначимо координати вектора cщодо даного правого ортонормованого базису через x, y, z.

Оскільки c ⊥ a, c ⊥b, то ca= 0, cb= 0. За умовою завдання потрібно, щоб c = 1 і a b c >0.

Маємо систему рівнянь для знаходження x,y,z: 11x+10y+2z=0, 4x+3z=0, x2+y2+z2=0.

З першого та другого рівнянь системи отримаємо z = -4/3 x, y = -5/6 x. Підставляючи y та z у третє рівняння, матимемо: x 2 = 36/125, звідки
x =± . Використовуючи умову a b c > 0, отримаємо нерівність

З урахуванням виразів для z та y перепишемо отриману нерівність у вигляді: 625/6 x > 0, звідки випливає, що x>0. Отже, x = , y = -, z = -.

У цій статті ми розглянемо операції, які можна проводити з векторами на площині та просторі. Далі ми перерахуємо властивості операцій над векторами та обґрунтуємо їх за допомогою геометричних розбудов. Також покажемо застосування властивостей операцій над векторами при спрощенні виразів, що містять вектори.

Для якіснішого засвоєння матеріалу рекомендуємо освіжити у пам'яті поняття, дані у статті вектори - основні визначення .

Навігація на сторінці.

Операція складання двох векторів – правило трикутника.

Покажемо, як відбувається додавання двох векторів.

Складання векторів і відбувається так: від довільної точки A відкладається вектор , рівний , далі від точки B відкладається вектор , рівний , і вектор являє собою суму векторів та. Такий спосіб складання двох векторів називається правилом трикутника.

Проілюструємо додавання не колінеарних векторів на площині за правилом трикутника.

На кресленні нижче показано складання сонаправленных і протилежно спрямованих векторів.

Додавання кількох векторів - правило багатокутника.

Грунтуючись на розглянутій операції додавання двох векторів, ми можемо скласти три вектори і більше. У цьому випадку складаються перші два вектори, до отриманого результату додається третій вектор, до отриманого додається четвертий і так далі.

Складання кількох векторів виконується такою побудовою. Від довільної точки А площини або простору відкладається вектор, рівний першому доданку, від кінця відкладається вектор, рівний другому доданку, від його кінця відкладається третій доданок, і так далі. Нехай точка B це кінець останнього відкладеного вектора. Сумою всіх цих векторів буде вектор.

Складання кількох векторів на площині в такий спосіб називається правилом багатокутника. Наведемо ілюстрацію правила багатокутника.

Абсолютно аналогічно проводиться додавання кількох векторів у просторі.

Операція множення вектора на число.

Зараз розберемося як відбувається множення вектора на число.

Розмноження вектора на число kвідповідає розтягуванню вектора k раз при k > 1 або стиску в раз при 0< k < 1 , при k = 1 вектор остается прежним (для отрицательных k еще изменяется направление на противоположное). Если произвольный вектор умножить на ноль, то получим нулевой вектор. Произведение нулевого вектора и произвольного числа есть нулевой вектор.

Наприклад, при множенні вектора на число 2 слід вдвічі збільшити його довжину і зберегти напрямок, а при множенні вектора на мінус одну третину слід зменшити його довжину втричі і змінити напрямок на протилежний. Наведемо для наочності ілюстрацію цього випадку.

Властивості операцій над векторами.

Отже, ми визначили операцію складання векторів та операцію множення вектора на число. При цьому для будь-яких векторів та довільних дійсних чисел можна за допомогою геометричних побудов обґрунтувати такі властивості операцій над векторами. Деякі їх очевидні.

Розглянуті властивості дають можливість перетворювати векторні висловлювання.

Властивості комутативності та асоціативності операції складання векторів дозволяють складати вектори у довільному порядку.

Операції віднімання векторів як такої немає, оскільки різниця векторів є сума векторів і .

Враховуючи розглянуті властивості операцій над векторами, ми можемо у виразах, що містять суми, різниці векторів та твори векторів на числа, виконувати перетворення так само як і у числових виразах.

Розберемо з прикладу.

Вектором називається спрямований відрізок прямої евклідового простору, у якого один кінець (точка A) називається початком вектора, а інший кінець (точка B) кінцем вектора (Рис. 1). Вектори позначаються:

Якщо початок і кінець вектора збігаються, то вектор називається нульовим векторомі позначається 0 .

приклад. Нехай у двомірному просторі початок вектора має координати. A(12,6) , а кінець вектора - координати B(12,6). Тоді вектор є нульовим вектором.

Довжина відрізка ABназивається модулем (довжиною, нормою) вектора та позначається | a|. Вектор довжини, що дорівнює одиниці, називається одиничним вектором. Крім модуля вектор характеризується напрямком: вектор має напрямок від Aдо B. Вектор називається вектор, протилежнимвектору.

Два вектори називаються колінеарнимиякщо вони лежать на одній прямій або на паралельних прямих. Рис. 3 червоні вектори колінеарні, т.к. вони лажать однією прямий, а сині вектори коллинеарны, т.к. вони лежать на паралельних прямих. Два колінеарних вектори називаються однаково спрямованимиякщо їх кінці лежать по одну сторону від прямої, що з'єднує їх початку. Два колінеарних вектори називаються протилежно спрямованимиякщо їх кінці лежать по різні боки від прямої, що з'єднує їх початку. Якщо два колінеарні вектори лежать на одній прямій, то вони називаються однаково спрямованими, якщо один з променів, утвореним одним вектором, повністю містить промінь, утвореним іншим вектором. В іншому випадку вектори називаються протилежно спрямованими. На малюнку Рис.3 сині вектори однаково спрямовані, а червоні вектори спрямовані протилежно.

Два вектори називаються рівнимиякщо вони мають рівні модулі та однаково спрямовані. На малюнку Рис.2 Вектори рівні т.к. їх модулі рівні та мають однаковий напрямок.

Вектори називаються компланарнимиякщо вони лежать на одній площині або в паралельних площинах.

У nмірному векторному просторі розглянемо багато всіх векторів, початкова точка яких збігається з початком координат. Тоді вектор можна записати у такому вигляді:

(1)

де x 1 , x 2 , ..., x nкоординати кінцевої точки вектора x.

Вектор, записаний у вигляді (1) називається вектор-рядок, а вектор, записаний у вигляді

(2)

називається вектор-стовпчик.

Число nназивається розмірністю (порядком) вектор. Якщо то вектор називається нульовим вектором(т.к. початкова точка вектора ). Два вектори xі yрівні тоді і лише тоді, коли рівні відповідні їх елементи.

Введемо, безпосередньо, поняття вектора, а також поняття їхнього складання, множення на число та їх рівності.

Для того щоб ввести визначення геометричного вектора пригадаємо, що таке відрізок . Введемо таке визначення.

Визначення 1

Відрізком називатимемо частину прямої, яка має дві межі у вигляді точок.

Відрізок може мати 2 напрямки. Для позначення напрямку називатимемо одну з меж відрізка його початком, а іншу межу - його кінцем. Напрямок вказується від початку до кінця відрізка.

Визначення 2

Вектором або спрямованим відрізком називатимемо такий відрізок, для якого відомо, яка з меж відрізка вважається початком, а яка його кінцем.

Позначення: Двома літерами: $ \ overline (AB) $ - (де $ A $ його початок, а $ B $ - його кінець).

Однією маленькою літерою: $ \ overline (a) $ (рис. 1).

Введемо ще кілька понять, пов'язаних із поняттям вектора.

Щоб ввести визначення рівності двох векторів, спочатку потрібно розібратися з такими поняттями як колінеарність, сонаправленность, протилежна спрямованість двох векторів, а також довжину вектора.

Визначення 3

Два ненульові вектори називатимемо колінеарними, якщо вони лежать на одній і тій же прямій або на прямих, паралельних один одному (рис.2).

Визначення 4

Два ненульові вектори називатимемо співспрямованими, якщо вони задовольняють двом умовам:

Ці вектори є колінеарними.
Якщо вони будуть направлені в один бік (рис. 3).

Позначення: $\overline(a)\overline(b)$

Визначення 5

Два ненульові вектори називатимемо протилежно спрямованими, якщо вони задовольняють двом умовам:

Ці вектори є колінеарними.
Якщо вони спрямовані у різні сторони (рис. 4).

Позначення: $\overline(a)↓\overline(d)$

Визначення 6

Довжиною вектора $\overline(a)$ називатимемо довжину відрізка $a$.

Позначення: $|\overline(a)|$

Перейдемо до визначення рівності двох векторів

Визначення 7

Два вектори називатимемо рівними, якщо вони задовольняють двох умов:

Вони співспрямовані;
Їхні довжини рівні (рис. 5).

Залишилося ввести поняття додавання векторів, а також їх множення на число.

Визначення 8

Сумою векторів $\overline(a+b)$ називатимемо вектор $\overline(c)=\overline(AC)$, який побудований таким чином: Від довільної точки A відкладемо $\overline(AB)=\overline(a) $, далі від точки $B$ відкладемо $\overline(BC)=\overline(b)$ і з'єднаємо точку $A$ з точкою $C$ (рис. 6).

Визначення 9

Добутком вектора $\overline(a)$ на $k∈R$ називатимемо вектор $\overline(b)$ який задовольнятиме умовам:

$|\overline(b)|=|k||\overline(a)|$;
$\overline(a)\overline(b)$ при $k≥0$ і, $\overline(a)↓\overline(b)$ при $k

Властивості складання векторів

Введемо властивості додавання для трьох векторів $\overline(α)$, $\overline(β)$ і $\overline(γ)$:

Комутативність складання векторів:

$\overline(α)+\overline(β)=\overline(β)+\overline(α)$

Асоціативність трьох векторів за додаванням:

$(\overline(α)+\overline(β))+\overline(γ)=\overline(α)+(\overline(β)+\overline(γ))$

Додавання з нульовим вектором:

$\overline(α)+\overline(0)=\overline(α)$

Складання протилежних векторів

$\overline(α)+(\overline(-α))=\overline(0)$

Всі ці властивості можна легко перевірити за допомогою побудов таких векторів за допомогою визначення 8. У перших двох порівнянням побудованих векторів з правої і лівої частин рівності, а в третьому і четвертому за допомогою побудови вектора з лівого боку.

Властивості множення вектора на число

Введемо властивості множення для двох векторів $ \ overline (α) $, $ \ overline (β) $ і чисел $ a $ і $ b $.

$a(\overline(α)+\overline(β))=a\overline(α)+a\overline(β)$
$\overline(α)(a+b)=\overline(α)a+\overline(α)b$
$(ab)\overline(α)=a(b\overline(α))=b(a\overline(α))$
$1\cdot \overline(α)=\overline(α)$

Всі ці властивості можна легко перевірити з використанням визначень 8 і 9. У перших двох порівнянням побудованих векторів з правої і лівої частин рівності, в третьому порівнянням всіх векторів, що входять в рівність, і в четвертому за допомогою побудови вектора з лівого боку.

Приклад завдання