20-12-2012_21-26-59 / геом 36-45
.doc

А
![]()
![]()
![]()
![]()

Если
же
,
то в силу (2.1)
.
![]()
А
![]()
![]()
![]()
![]()

Пусть задана
некоторая ось
и
.
Применяя к каждому из этих векторов
формулу (2.2), получим, что
,
т. е. равные векторы имеют равные проекции
на одну и ту же ось.
Определение.
Проекции
,
,
вектора
на оси
,
и
прямоугольной системы координат
называются координатами вектора
в этой системе координат.
Если для вектора
,
,
,
то символически это записывается в виде
.
(2.3)
Теорема 2.
Для любых двух точек
и
координаты вектора
определяются по формулам
,
,
.
(2.4)
Доказательство.
Проведем через точки
и
плоскости, перпендикулярные оси
,
и обозначим точки пересечения оси
и построенных плоскостей
и
.
z




B
A
y![]()
O![]()
x![]()
![]()
Точки
и
имеют на оси
координаты
и
.
По определению
,
но
,
т. е.
.
Аналогично доказываются и остальные
соотношения. Теорема доказана.
Рассмотрим свойства проекций векторов на ось.
Теорема 3. Проекция суммы двух векторов на ось равна сумме их проекций на эту ось, т. е.
.
(2.5)
Доказательство.
Пусть
,
тогда, приложив вектор
к концу вектора
,
т. е. к точке
,
можем считать, что
.
Обозначим через
,
,
проекции точек
,
и С на ось
.
По определению проекции вектора на ось
имеем:
,
,
,
(последнее равенство следует из правила
сложения величин вещественных чисел).
B
![]()
![]()
A![]()
C
l
![]()
![]()
![]()


Таким образом,
.
Теорема доказана.
Теорема 4.
При умножении вектора
на число
его проекция на ось также умножается
на это число, т. е.
.
(2.6)
Доказательство.
Пусть
угол между осью
и вектором
,
а
угол между осью
и вектором
.
Если
,
то векторы
и
направлены одинаково и
.
Если же
,
то векторы
и
имеют противоположное направление и
.
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Согласно (2.2) при
имеем:
.
Если же
,
то
.
При
обе части равенства (2.6) обращаются в
нуль. Таким образом,
при любых вещественных значениях
.
Теорема доказана.
Из этой теоремы вытекает следствие.
Следствие.
Если векторы
и
заданы своими координатами, т. е.
,
,
то при любых действительных числах
и
вектор
имеет координаты
.
(2.7)
Пусть
углы наклона вектора
к осям
,
и
соответственно.
Определение.
Три числа
,
и
называются направляющими
косинусами вектора
.
Из определения
координат вектора следует, что если
,
то
,
,
.
(2.8)
Так как
является диагональю прямоугольного
параллелепипеда со сторонами, которые
отсекают на координатных осях величины
,
и
,
то
.
(2.9)
Из формул (2.8) и
(2.9) находятся выражения для направляющих
косинусов вектора
через его координаты:
,
,
.
(2.10)
Возводя полученные
равенства в квадрат и складывая, получим,
что
,
т. е. сумма квадратов направляющих
косинусов любого вектора равна единице.
Так как вектор
однозначно определяется заданием трех
его координат, из полученных формул
(2.8) следует, что вектор
однозначно определяется заданием его
длины и трех направляющих косинусов.
П р и м е р 22.
Даны два вектора
и
.
Найти проекции на координатные оси
векторов
и
.
Решение.
Проекциями вектора на координатные оси
являются его координаты. По формуле
(2.7) получим:
,
.
2.4. Разложение вектора по базису
Пусть
,
,
единичные векторы осей координат, т. е.
,
и каждый из них одинаково направлен с
осями
,
и
соответственно. Векторы
,
,
называются базисными векторами. Они
взаимно перпендикулярны и задаются
координатами следующим образом:
,
,
.
Теорема 5.
Любой вектор
может быть единственным образом разложен
по базису
,
,
,
т. е. представлен в виде
,
(2.11)
где
действительные числа.
Доказательство.
Рассмотрим вектор
.
z
Mz



M



О
Mx
My y
В x
Обозначим
,
,
.
Тогда
,
т. е.
.
Векторы
и
коллинеарны, поэтому существует такое
число
,
что
.
Аналогично можно показать, что
и
.
Таким образом,
.
Для
доказательства единственности установим,
что
,
,
,
где
координаты вектора
.
Если вектор
имеет такое же направление, как и вектор
,
то
и
.
Если же векторы
и
противоположно направлены, то
.
С другой стороны,
.
Из равенства векторов следует, что
.
Равенства
и
доказываются аналогично. Теорема
доказана.
Определение. Три вектора, лежащие в одной плоскости или в параллельных плоскостях, называются компланарными.
Определение.
Векторы
называются линейно зависимыми, если
найдутся такие вещественные числа
,
из которых хотя бы одно отлично от нуля,
что существует тривиальная линейная
комбинация этих векторов, т. е.
.
(2.12)
Теорема 6. Необходимым и достаточным условием линейной зависимости трех векторов является их компланарность.
Доказательство.
Необходимость.
Пусть три вектора
,
и
линейно зависимы. Докажем компланарность
этих векторов. По определению линейной
зависимости найдутся такие вещественные
числа
,
и
,
из которых хотя бы одно отлично от нуля,
что
.
Для определенности будем считать, что
.
Тогда
,
или
.
Если векторы
,
и
приложены к общему началу
,
то вектор
равен диагонали параллелограмма,
построенного на векторах
и
как на смежных сторонах, следовательно,
векторы
,
и
лежат в одной плоскости. Это равносильно
тому, что и векторы
,
и
лежат в одной плоскости, так как после
приведения к общему началу векторы
и
(соответственно,
и
)
лежат на одной прямой.
Достаточность.
Пусть векторы
,
и
компланарны. Если какие-либо два вектора
из них являются коллинеарными, то они
будут линейно зависимыми, следовательно,
и все три вектора линейно зависимы.
С
![]()
А![]()
![]()
В
![]()
![]()
О
Пусть
в тройке векторов
,
,
ни одна пара векторов не является
коллинеарной. Тогда в этой тройке
отсутствуют и нулевые векторы. Перенесем
три компланарных вектора
,
,
на одну плоскость и приведем их к общему
началу
.
Обозначим буквами
и
концы этих векторов. Через точку
проведем прямые, параллельные векторам
и
.
