Элементы векторной алгебры. Элементы векторной алгебры

Пусть функция f непрерывная при х = х_о. В точке (х_о, f (х_о)) существует наклонная, касательная к графику функции f, тогда и только тогда, когда f имеет в точке х_о производную. При этом уравнение касательной имеет вид у = f^/(x_о) (x -x_о) + y_о и, значит, производная в точке х_о равна тангенсу угла наклона касательной к оси ОХ, а дифференциал в точке х_о равен приращению ординаты касательной.

 

Элементы векторной алгебры

Основные понятия

Вектором называется направленный отрезок (упорядоченная пара точек). К векторам относится также и нулевой вектор, начало и конец которого совпадают.

Длиной (модулем) вектора называется расстояние между началом и концом вектора.

.

Векторы называются коллинеарными, если они расположены на одной или параллельных прямых. Нулевой вектор коллинеарен любому вектору.

Векторы называются компланарными, если существует плоскость, которой они параллельны.

Коллинеарные векторы всегда компланарны, но не все компланарные векторы коллинеарны.

Векторы называются равными, если они коллинеарны, одинаково направлены и имеют одинаковые модули.

Всякие векторы можно привести к общему началу, т.е. построить векторы, соответственно равные данным и имеющие общее начало. Из определения равенства векторов следует, что любой вектор имеет бесконечно много векторов, равных ему.

Линейными операциями над векторами называется сложение и умножение на число.

Суммой векторов является вектор , соединяющий начало вектора с концом вектора , отложенного от конца вектора .

Произведение вектора на число: , при этом коллинеарен .

Вектор сонаправлен с вектором ( ­­ ), если a > 0.

Вектор противоположно направлен с вектором ( ­¯ ), если a < 0.

Свойства векторов:

1) + = + – коммутативность

2) + ( + ) = ( + )+

3) + =

4) +(-1) =

5) (a×b) = a(b ) – ассоциативность

6) (a+b) = a + b – дистрибутивность

7) a( + ) = a + a

8) 1× =

Базисом в пространстве называются любые 3 некомпланарных вектора, взятые в определенном порядке.

Базисом на плоскости называются любые 2 неколлинеарные векторы, взятые в определенном порядке.

Базисом на прямой называется любой ненулевой вектор.

Если – базис в пространстве и , то числа a, b и g - называются компонентами или координатами вектора в этом базисе.

В связи с этим можно записать следующие свойства:

– равные векторы имеют одинаковые координаты.

– при умножении вектора на число его компоненты тоже умножаются на это число,

= .

– при сложении векторов складываются их соответствующие компоненты:

; ;

+ = .

Линейная зависимость векторов

Векторы называются линейно зависимыми, если существует такая линейная комбинация при не равных нулю одновременно a_i, т.е. .

Если же только при a_i = 0 выполняется , то векторы называются линейно независимыми.

Свойство 1. Если среди векторов есть нулевой вектор, то эти векторы линейно зависимы.

Свойство 2. Если к системе линейно зависимых векторов добавить один или несколько векторов, то полученная система тоже будет линейно зависима.

Свойство 3. Система векторов линейно зависима тогда и только тогда, когда один из векторов раскладывается в линейную комбинацию остальных векторов.

Свойство 4. Любые 2 коллинеарных вектора линейно зависимы и, наоборот, любые 2 линейно зависимые векторы коллинеарны.

Свойство 5. Любые 3 компланарных вектора линейно зависимы и, наоборот, любые 3 линейно зависимые векторы компланарны.

Свойство 6. Любые 4 вектора линейно зависимы.

 

Система координат

Для определения положения произвольной точки могут использоваться различные системы координат. Положение произвольной точки в какой- либо системе координат должно однозначно определяться. Понятие системы координат представляет собой совокупность точки начала отсчета (начала координат) и некоторого базиса. Как на плоскости, так и в пространстве возможно задание самых разнообразных систем координат. Выбор системы координат зависит от характера поставленной геометрической, физической или технической задачи. Рассмотрим некоторые наиболее часто применяемые на практике системы координат.

Декартова система координат

Зафиксируем в пространстве точку О и рассмотрим произвольную точку М. Вектор назовем радиус- вектором точки М. Если в пространстве задать некоторый базис, то точке М можно сопоставить некоторую тройку чисел – компоненты ее радиус- вектора.

Декартовой системой координат в пространстве называется совокупность точки и базиса. Точка называется началом координат. Прямые, проходящие через начало координат называются осями координат.

Чтобы найти компоненты вектора нужно из координат его конца вычесть координаты начала. Если заданы точки А(x₁, y₁, z₁), B(x₂, y₂, z₂), то = (x₂ – x₁, y₂ – y₁, z₂ – z₁).

Базис называется ортонормированным, если его векторы попарно ортогональны и их длины равны единице.

Декартова система координат, базис которой ортонормирован, называется декартовой прямоугольной системой координат.

Пример. Даны векторы (1; 2; 3), (-1; 0; 3), (2; 1; -1) и (3; 2; 2) в некотором базисе. Показать, что векторы , и образуют базис и найти координаты вектора в этом базисе.

Векторы образуют базис, если они линейно независимы, другими словами, если равенства

выполняются только при условии, что .

Тогда .

Это условие выполняется, если определитель матрицы системы отличен от нуля.

Для решения этой системы воспользуемся формулами Крамера.

 

D₁ =

D₂ =

D₃ =

Итого, координаты вектора в базисе , , : ={ -1/4, 7/4, 5/2}.

Длина вектора в координатах определяется как расстояние между точками начала и конца вектора. Если заданы две точки в пространстве А(х₁, y₁, z₁), B(x₂, y₂, z₂), то .

Если точка М(х, у, z) делит отрезок АВ в соотношении l/m, то координаты этой точки определяются как:

В частном случае координаты середины отрезка находятся как:

x = (x₁ + x₂)/2; y = (y₁ + y₂)/2; z = (z₁ + z₂)/2.

 

Скалярное произведение векторов

Скалярным произведением ненулевых векторов и называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними:

 

× = ï ïï ïcosj.

 

Свойства скалярного произведения:

 

1) × = ï ï²

2) × = 0, если ^ или = 0 или = 0

3) × = ×

4) ×( + ) = × + ×

5) (m )× = ×(m ) = m( × )

Если рассматривать векторы в декартовой прямоугольной системе координат, то

 

× = x_a x_b + y_a y_b + z_a z_b.

Используя равенства, получаем формулу для вычисления угла между векторами:

.

 

 

Пример. Найти (5 + 3 )(2 - ), если

10 × -5 × +6 × -3 × =10 , т.к. .

Пример. Найти угол между векторами и , если

.

Т.е. = (1, 2, 3), = (6, 4, -2),

× = 6 + 8 – 6 = 8:

.

cosj =

 

Векторное произведение векторов

Векторным произведением векторов и называется вектор , удовлетворяющий следующим условиям:

1) , где j – угол между векторами и , ;

2) вектор ортогонален векторам и ;

3) , и образуют правую тройку векторов.

Обозначается: или .

 

 

 

j

 

 

Свойства векторного произведения векторов:

1)

2) , если ïï или = 0 или = 0

3) (m )´ = ´(m ) = m( ´ )

4) ´( + ) = ´ + ´

Если заданы векторы (x_a, y_a, z_a) и (x_b, y_b, z_b) в декартовой прямоугольной системе координат с единичными векторами , то

 

´ =

 

Геометрический смысл векторного произведения векторов: есть площадь параллелограмма, построенного на векторах и .

 

Пример. Вычислить площадь треугольника с вершинами А(2, 2, 2), В(4, 0, 3),

С(0, 1, 0).

(ед²).

 

Смешанное произведение векторов

Смешанным произведением векторов , и называется число, равное скалярному произведению вектора на вектор, равный векторному произведению векторов и .

Обозначается или (, , ).

Смешанное произведение по модулю равно объему параллелепипеда, построенного на векторах , и .

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойствасмешанного произведения:

 

1)

2)

3)

Объем треугольной пирамиды, образованной векторами , и , равен

.

Если , , то

.

Три вектора компланарны тогда и только тогда, когда их смешанное произведение равно нулю.

 

Пример. Найти объем пирамиды, если вершины имеют координаты A(0; 0; 1), B(2; 3; 5), C(6; 2; 3), D(3; 7; 2).

 

Найдем координаты векторов:

Объем пирамиды