- •Опорні конспекти з теми „Векторна алгебра” з історії векторів.
- •Елементи векторної алгебри Тема 1. Означення вектора.
- •Властивості лінійних операцій над векторами
- •Розкладання вектора за базисом. Координати вектора і точки.
- •Тема 2. Система координат. Ділення відрізка в даному відношенні.
- •Ділення відрізка в даному відношенні.
- •Тема 3. Скалярний, векторний та мішаний добутки векторів.
- •2°. Довжина вектора дорівнює кореню квадратному з його скалярного квадрата: .
- •Запис скалярного добутку через координати векторів
- •Векторний добуток векторів
- •Запис векторного добутку через координати векторів.
- •Мішаний добуток векторів.
- •Запис мішаного добутку через координати векторів
Властивості лінійних операцій над векторами
1°. Додавання векторів комутативне (переставна властивість додавання векторів), тобто для будь-яких двох векторів і
+ = + .
2°.
Додавання векторів асоціативне (сполучна
властивість додавання векторів), тобто
для будь-яких трьох векторів
,
і
+ ( + ) = ( + ) + .
3°. Множення вектора на число асоціативне (сполучна властивість множення вектора на число), тобто для будь-яких чисел α, β і вектора
.
4°. Множення вектора на число дистрибутивне відносно додавання векторів і відносно додавання чисел (розподільні властивості множення вектора на число відносно додавання векторів і додавання чисел відповідно), тобто:
а) для
будь-яких двох векторів
і
і будь-якого числа
( + ) = + ;
б) для
будь-яких чисел
,
і будь-якого вектора
.
5°. Якщо
вектор
колінеарний ненульовому вектору
,
то існує і до того ж єдине число
таке, що
.
Доведення(5о).
Цим
числом є або
,
або –
,
в залежності від напряму векторів
і
.
Якщо
,
то
.
Очевидним є, що при
b 0 може бути тільки єдине, бо при множенні на різні числа будемо одержувати різні вектори.
Зауваження 1. Доведення властивостей 1°-4° можна знайти, наприклад, в [2].
Зауваження 2. Властивості 1°-4° лінійних операцій над векторами мають фундаментальне значення, оскільки вони дають можливість виконувати перетворення в векторній алгебрі в основному так, як це робиться у звичайній алгебрі.
Зауваження 3. Як і у звичайній алгебрі віднімання векторів визначається як операція обернена до додавання.
Різницею
–
векторів
і
називається
такий вектор
,
сума якого з вектором
дорівнює вектору
,
тобто:
–
=
,
якщо
+
=
.
З
цього випливає, що вектори
+
і
–
є діагоналями паралелограма, побудованого
на векторах
і
(рис.6).
Зауваження.
Вектор
є одиничним, тобто ортом вектора
:
.
Розкладання вектора за базисом. Координати вектора і точки.
Розглянемо
декілька векторів
,
,
…,
і числа
,
,…,
.
Будь-який вектор b, що має вигляд
b =
називається лінійною комбінацією даних векторів.
Якщо вектор подано у вигляді лінійної комбінації векторів, то кажуть, що його розкладено за цими векторами.
Теорема
1. Нехай
дано два неколінеарних вектора
і
.
Тоді будь-який вектор
компланарний з ними, можна розкласти
за векторами
і
,
тобто існують числа
і
такі, що
=
+
,
причому таке розкладання єдине.
Доведення.
Доведемо, що розкладання існує.
Вектори
і
- ненульові, інакше вони були б колінеарними.
Якщо вектор
колінеарний якому-небудь з векторів
або
,
наприклад
,
то за властивістю 5° лінійних операцій
над векторами
,
і шукане розкладання знайдене.
Припустимо, що всі три вектори попарно неколінеарні. Перенесемо всі три вектори до спільного початку О, що можна зробити на основі означення рівності векторів (рис.7).
З
а
правилом паралелограма
,
але за властивістю 5°
,
,
тобто
.
Доведемо, що дане розкладання єдине.
Припустимо супротивне: нехай існує інша лінійна комбінація векторів і , що дорівнює вектору , тобто
,
,
причому
,
.
Віднімемо почленно останню рівність:
,
звідси маємо:
.
Це означає, що вектори і колінеарні, що суперечить припущенню. Теорему доведено.
Теорема
2. Нехай
дано три некомпланарні вектори
,
,
.
Тоді будь-який четвертий вектор можна
подати як їх лінійну комбінацію і до
того ж єдиним способом.
Доведення базується на доведенні теореми 1 і пропонується провести його самостійно.
Базисом в просторі називається трійка некомпланарних векторів, взятих в певному порядку, базисом на площині – двійка неколінеарних векторів, взятих в певному порядку.
З теорем
1 і 2 випливає, що базис дозволяє однозначно
співставити кожному вектору площини
(простору) впорядковану двійку (трійку)
чисел – коефіцієнтів в розкладанні
вектора за базисом. Ці коефіцієнти
називаються координатами
вектора в даному базисі. Наприклад, якщо
,
,
– базис в просторі і
,
то числа
є координатами вектора
в цьому базисі. Це записують так:
.
Теорема 3 (про дії над координатами). При додаванні векторів їх відповідні координати додаються, а при множенні на число – кожна координата множиться на це число.
