Учебник. Операции с векторами и их свойства




Операции с векторами и их свойства

Суммой векторов  a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) и b ⟶ ( b 1 ;  b 2 ) называется вектор c ⟶ ( a 1 + b 1 ;  a 2 + b 2 ) ,
  a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) + b ⟶ ( b 1 ;  b 2 ) = c ⟶ ( a 1 + b 1 ;  a 2 + b 2 ) .

Для любых векторов a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) ,    b ⟶ ( b 1 ;  b 2 ) справедливы равенства

a ⟶ + b ⟶ = b ⟶ + a ⟶ ,
a ⟶ +( b ⟶ + c ⟶ ) =( a ⟶ + b ⟶ ) + c ⟶ .

Каковы бы ни были три точки A, B и C, имеет место векторное равенство AB ⟶ + BC ⟶ = AC ⟶ .


Пусть A (x1; y1), B (x2; y2), C (x3; y3) – данные точки.

Вектор AB ⟶ имеет координаты x 2  -  x 1 ,  y 2  -  y 1 , вектор BC ⟶ имеет координаты x 3  -  x 2 ,  y 3  -  y 2 . Следовательно, вектор AB ⟶ + BC ⟶ имеет координаты x 3  -  x 1 ,  y 3  -  y 1 Вектор AC ⟶ имеет такие же координаты. По теореме 11.5  AB ⟶ + BC ⟶ = AC ⟶ . Теорема доказана.

Правило треугольника
Построение суммы векторов по правилу треугольника

Замечание. Теорема 11.6 даёт следующий способ построения суммы произвольных векторов a ⟶ и b ⟶ . Надо от конца вектора a ⟶ отложить вектор b ′ ⟶ , равный вектору b ⟶ . Тогда вектор, начало которого совпадает с началом вектора a ⟶ , а конец – с концом вектора b ′ ⟶ , будет суммой векторов a ⟶ и b ⟶ .


Правило параллелограмма: для векторов с общим началом их сумма изображается диагональю параллелограмма, построенного на этих векторах.

Правило параллелограмма

Разностью векторов  a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) и b ⟶ ( b 1 ;  b 2 ) называется такой вектор c ⟶ ( c 1 ;  c 2 ) , который в сумме с вектором b ⟶ дает вектор a ⟶ :   b ⟶ + c ⟶ = a ⟶ , откуда c1 = a1– b1; c2 = a2– b2.

Произведением вектора a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) на число λ называется вектор b ⟶ ( λ a 1 ; λ a 2 ) , т. е. λ a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) = b ⟶ ( λ a 1 ; λ a 2 ) .

  • Для любого вектора a ⟶ и чисел λ и μ  
    ( λ+μ ) a ⟶ =λ a ⟶ +μ a ⟶ ;
  • Для любых двух векторов a ⟶ и b ⟶ и числа λ
    λ( a ⟶ + b ⟶ ) =λ a ⟶ +λ b ⟶ .

Абсолютная величина вектора λ a ⟶ равна |λ || a|. Направление вектора λ a ⟶ при a ⟶ ≠0 совпадает с направлением вектора a ⟶ , если λ > 0, и противоположно направлению вектора a ⟶ , если λ < 0.


Построим векторы OA ⟶ и OB ⟶ , равные a ⟶ и λ a ⟶ соответственно (O – начало координат). Пусть a 1 и a 2  – координаты вектора a ⟶ . Тогда координатами точки A будут числа a 1 и a 2 , координатами точки B – числа λ a 1 и λ a 1 .
Уравнение прямой OA имеет вид: αx + βy = 0. Так как уравнению удовлетворяют координаты точки A (a1; a2), то ему удовлетворяют и координаты точки B (λa1; λa2). Отсюда следует, что точка B лежит на прямой OA. Координаты c1 и c2 любой точки C, лежащей на луче OA, имеют те же знаки, что и координаты a1 и a2 точки A, и координаты любой точки, которая лежит на луче, дополнительном к OA, имеют противоположные знаки.

Поэтому, если λ > 0, то точка B лежит на луче OA, а следовательно, векторы a ⟶ и λ a ⟶ одинаково направлены. Если λ < 0, то точка B лежит на дополнительном луче и векторы a ⟶ и λ a ⟶ противоположно направлены.

Абсолютная величина вектора λ a ⟶ равна | λ a ⟶ |= ( λ a 1 ) 2 + ( λ a 2 ) 2 = | λ | a 1 2 + a 2 2 = | λ || a ⟶ |. Теорема доказана.


Для любых отличных от нуля коллинеарных векторов a ⟶ и b ⟶ существует такое число λ, что b ⟶ =λ a ⟶ .


Пусть a ⟶ и b ⟶ одинаково направлены. Векторы b ⟶ и ( | b ⟶ | | a ⟶ | ) a ⟶ одинаково направлены и имеют одну и ту же абсолютную величину | b ⟶ | . Значит, они равны: b ⟶ =( | b ⟶ | | a ⟶ | ) a ⟶ =λ a ⟶ ,   λ= | b ⟶ | | a ⟶ | . Если векторы a ⟶ и b ⟶ противоположно направлены, аналогично заключаем, что
b ⟶ = -( | b ⟶ | | a ⟶ | ) a ⟶ =λ a ⟶ ,
  λ= - | b ⟶ | | a ⟶ | . Теорема доказана.


Пусть a ⟶ и b ⟶  – отличные от нуля неколлинеарные векторы. Любой вектор c ⟶ можно единственным образом представить в виде c ⟶ =λ a ⟶ +μ b ⟶ .


Пусть A и B – начало и конец вектора c ⟶ . Проведем через точки A и B прямые, параллельные векторам a ⟶ и b ⟶ . Они пересекутся в некоторой точке C. Имеем AB ⟶ = AC ⟶ + CB ⟶ . Так как векторы a ⟶ и AC ⟶ коллинеарны, то AC ⟶ =λ a ⟶ ; так как векторы CB ⟶ и b ⟶ коллинеарны, то CB ⟶ =μ b ⟶ . Таким образом, c ⟶ =λ a ⟶ +μ b ⟶ .

К теореме 11.9

Для доказательства единственности представления допустим, что в условиях теоремы такое представление не единственно. То есть наряду с числами λ и μ такими, что c ⟶ =λ a ⟶ +μ b ⟶ существуют числа λ 1 и μ 1 такие, что c ⟶ = λ 1 a ⟶ + μ 1 b ⟶ и при этом верно хотя бы одно из соотношений λ≠ λ 1 ,   μ≠ μ 1 . Пусть для определенности λ≠ λ 1 . Тогда из равенства λ a ⟶ +μ b ⟶ = λ 1 a ⟶ + μ 1 b ⟶ имеем a ⟶ = μ- μ 1 λ 1 -λ b ⟶ . На основании теоремы 11.7 и замечания 11.1 получаем, что векторы a ⟶ и b ⟶ коллинеарны. Но это противоречит условию неколлинеарности этих векторов. Показанное противоречие доказывает единственность представления. Теорема доказана.


Скалярное произведение векторов.

Скалярным произведением векторов  a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) и b ⟶ ( b 1 ;  b 2 ) называется число a 1 b 1  +  a 2 b 2 . Скалярное произведение векторов a ⟶ и b ⟶ обозначется a ⟶ b ⟶ .

Для любых векторов a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) ,   b ⟶ ( b 1 ;  b 2 ) и c ⟶ ( c 1 ;  c 2 ) верно:

  • a ⟶ b ⟶ = b ⟶ a ⟶ ;
  • ( λ a ⟶ ) b ⟶ =λ a ⟶ b ⟶ ;
  • ( a ⟶ + b ⟶ ) c ⟶ = a ⟶ c ⟶ + b ⟶ c ⟶ .

Скалярное произведение векторов равно произведению их абсолютных величин на косинус угла между ними.


Пусть a ⟶ и b ⟶  – данные векторы и φ – угол между ними. Имеем:

( a ⟶ + b ⟶ ) 2 =( a ⟶ + b ⟶ ) ( a ⟶ + b ⟶ ) =( a ⟶ + b ⟶ ) a ⟶ +( a ⟶ + b ⟶ ) b ⟶ =( a ⟶ a ⟶ ) +( b ⟶ a ⟶ ) +( a ⟶ b ⟶ ) +( b ⟶ b ⟶ ) = ( a ⟶ ) 2 +2 a ⟶ b ⟶ + ( b ⟶ ) 2 .
или
| a ⟶ + b ⟶ | 2 = | a ⟶ | 2 + | b ⟶ | 2 +2 a ⟶ b ⟶ .
Скалярное произведение a ⟶ b ⟶ , таким образом, выражается через длины векторов a ⟶ ,   b ⟶ и a ⟶ + b ⟶ , т. е. систему координат можно выбрать любую, а величина скалярного произведения не изменится. Выберем систему координат так, чтобы начало координат совпало с началом вектора a ⟶ , а сам вектор a ⟶ лежал на положительной полуоси оси Ox. Тогда координатами вектора a ⟶ будут числа | a ⟶ | и 0, а вектора b ⟶  – b → cosφ и b → sinφ . По определению
a ⟶ b ⟶ =| a ⟶ |ċ| b ⟶ |cosφ+0ċ| b ⟶ |sinφ=| a ⟶ |ċ| b ⟶ |cosφ .

Скалярное произведение двух векторов

Единичные векторы l 1 ⟶ ( 1; 0 ) и l 2 ⟶ ( 0; 1 ) , имеющие направления положительных координатных полуосей, называются координатными векторами или ортами.


Любой ненулевой вектор a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) единственным образом можно разложить по координатным векторам, то есть записать в виде a ⟶ = a 1 l 1 ⟶ + a 2 l 2 ⟶ .


Так как координатные векторы отличны от нуля и неколлинеарны, то любой вектор a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) допускает разложение по этим векторам в силу теоремы 11.9 a ⟶ =λ l 1 ⟶ +μ l 2 ⟶ . Найдем λ и μ. Умножим обе части равенства скалярно на вектор l 1 ⟶ ( 1; 0 ) . Имеем a ⟶ l 1 ⟶ =λ l 1 ⟶ l 1 ⟶ +μ l 2 ⟶ l 1 ⟶ . С учетом того, что l 1 ⟶ и l 2 ⟶ ортогональны, имеем a 1  ċ l +  a 2  ċ 0 = λ(l ċ l +0 ċ 0);  λ =  a 1 . Аналогично, умножая равенство на l 2 ⟶ , получим a ⟶ l 2 ⟶ =μ l 2 ⟶ l 2 ⟶ или a 1  ċ 0 +  a 2  ċ l = μ(0 ċ 0 + l ċ l);  μ =  a 2 . Таким образом, для любого вектора a ⟶ ( a 1 ;  a 2 ) получается разложение a ⟶ =λ l 1 ⟶ +μ l 2 ⟶ . Так как в силу теоремы 11.4 и теоремы 11.5 координаты однозначно определяют вектор, то разложение единственно. Теорема доказана.




 

Смотрите также: Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: библиотека ЭОРов и образовательный онлайн-сервис с тысячами интерактивных работ "Облако знаний".

 

 

 

© Физикон, 1999–2015