Лекция 4

Вектора на плоскости и в пространстве

Вматематике и ее приложениях различают два типа величин: скалярные

ивекторные. Скалярная величина полностью определяется одним числом, которое выражает отношение данной величины к соответствующей единице измерения, например, масса тела, температура, объем, работа.

Векторными величинами, или векторами, называют те, которые характеризуются не только их числовым значением, но и направлением в

пространстве \3 или на плоскости \2 , например, сила, скорость, ускорение. Для изучения общих свойств, присущих всем векторным величинам, в

математике вводят понятие абстрактного математического вектора, в котором сохранено лишь то общее, что имеют все физические векторы: величина и направление.

Естественным изображением математического вектора (упорядоченная пара точек) служит направленный отрезок: длина отрезка равна числовому значению (модулю) вектора, а направление отрезка, указываемое стрелкой,

совпадает с направлением этого вектора. Обозначается вектор АВ, а; модуль вектора обозначается АВ, а .

Будем рассматривать свободные векторы, которые определяются длиной и направлением и точка приложения которых может быть выбрана произвольно.

Вектор, начало и конец которого совпадают (в силу этого он не имеет определенного направления), называется нуль-вектором или нулевым

вектором. Обозначается нулевой вектор 0 .

Вектор, длина которого равна единице, называется единичным вектором.

Векторы называются ортогональными, если они лежатG на перпендикулярных прямых. Обозначаются ортогональные векторы aG b .

Векторы называются коллинеарными, если они лежат на одной прямой

противоположно направленными aG ↑↓ b . Нулевой вектор коллинеарен любому вектору.

Два ненулевых вектора a и b называются равными, если они имеют одинаковые модули и направление: aG = b .

Два коллинеарных вектора a и b называются противоположнымиG , если

они имеют одинаковые модули и противоположное направление: aG = −b . Векторы, лежащие в параллельных плоскостях (или в одной плоскости)

называются компланарными.

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

34

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.

параллелограмма. Сумма нескольких векторов может быть найдена по правилу многоугольника.

Произведением вектора a на число α называется вектор b =α aG, удовлетворяющий условиям

1. b = αa

2. вектор aG сонаправлен с вектором b ( a ↑↑b ), если α > 0;

вектор aG противоположно направлен с вектором b ( a ↑↓b ), если α < 0.

Из определения коллинеарности векторов и операции умножения вектора на число вытекает

Теорема 1. Для того чтобы любые два вектора были линейно зависимы необходимо и достаточно, чтобы они были коллинеарны.

Доказательство теоремы непосредственно вытекает из определения линейнойG G зависимостиG и утверждения 1:

aG|| b b =αaG aG и b –линейно зависимы.

Теорема 2. Для того чтобы любые три вектора были линейно зависимы

Из теоремы 3 следует, что все векторы, лежащие в некоторой плоскости, можно рассматривать как линейные комбинации каких-либо двух неколлинеарных (линейно независимых) векторов на этой плоскости. Аналогичный результат справедлив и для пространственных векторов.

Теорема 4. Если три вектора aG, b и c линейно независимы

(некомпланарныG ), тоGлюбой векторG d пространства \3 можно разложить по векторам aG, b и cG: d = xaG+ yb + zcG и такое представление единственно.

35

Из теоремы 4 следует, что все векторы пространства\3 можно рассматривать как линейные комбинации каких-либо трех некомпланарных (линейно независимых) векторов.

единственно.

Коэффициенты x, y, z разложения называются координатами (компонентами) вектора dG в базисе e1, eG2 , eG3 . Записывают d ={x, y, z}.

Из теоремы 4 следует, что три любых некомпланарных вектора, взятые в определенном порядке, образуют в пространстве векторный базис.

Если векторы, образующие базис, единичны и попарно ортогональны, то

базис называется ортонормированным. Ортонормированный базис будем

обозначать iG, Gj, kG : iG = Gj = kG =1 , i Gj, Gj k , kG iG .

Замечание. Если рассматривать векторы, лежащие в какой-либо плоскости, то по теореме 3 векторный базис на плоскости образуют любые два неколлинеарные векторы eG1, eG2 , лежащие в этой плоскости.

другими словами, если существует нетривиальное (ненулевое) решение системы уравнений:

α − β + 2γ = 0

2α + 0 β +γ = 0 , которая является следствием векторного равенства:

3α + 3β −γ = 0

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

1 −1 2

20 1 ≠ 0

33 −1

36

Для решения этой системы воспользуемся методом Крамера.

Как следует из примера 1, процедура нахождения координат вектора в произвольном базисе достаточно трудоемка и связана с решением СЛАУ.

Система координат

Для определения положения произвольной точки могут использоваться различные системы координат. Положение произвольной точки в какойлибо 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.

37

(началом координат) и упорядоченной тройкой приложенных к ней некомпланарных векторов eG1, eG2 , eG3 (базисных векторов).

Декартова прямоугольная система координат (как частный случай аффинной системы координат) называется ортонормированной и правой, если в качестве базиса рассматривать орты i , Gj, k при условии, что эти векторы образуют правую тройку.

Тройка некомпланарных упорядоченных векторов aG, b и cG , приведенных к общему началу, называется правой, если кратчайший поворот от aG к b виден из конца вектора cG против хода часовой стрелки, в противном случае (когда поворот наблюдается по ходу часовой стрелки) тройка векторов называется

левой.

При круговой перестановкеG векторов ориентация тройки не изменяется, например, все тройки ( aG, b , cG), ( c , aG, b ), ( b , c , a )–правые. При перестановке

ординат; Oz – ось аппликат. Плоскости, проходящие через пару осей координат, называются координатными плоскостями: плоскость Oxy, плоскость Oxz, плоскость Oyz. Прямоугольная декартова система координат в пространствеG G обозначаетсяG Оxyz. Кроме направления базисные вектора

i ={1,0,0}, j ={0,1,0},k ={0,0,1} задают соответственно и единицу масштаба по

каждой оси Ox, Oy, Oz.

Зафиксируем в пространстве точку O(0,0,0) и рассмотрим произвольную

точку М. Вектор ОМ назовем радиус-вектором точки М. Если в пространстве задать некоторый базис, то точке М можно сопоставить некоторую упорядоченную тройку чисел – компоненты ее радиус-вектора.

Прямоугольными декартовыми координатами точки М в системе

Записывают M (x, y, z) .

Чтобы найти компоненты вектора нужно из координат его конца вычесть

38

Действительно, AB = OB −OA.

Длина произвольного вектора в координатах определяется как расстояние между точками начала и конца вектора. Если заданы две

точкиA(x1, y1, z1) и B(x2 , y2 , z2 ) в пространстве \3 , то длина вектора AB , как следует из формулы (3.9), вычисляется по формуле

В частном случае координаты середины отрезка находятся как:

Линейные операции над векторами в координатах, как следует из (3.5), (3.6)

aG bG = 6 + 8 – 6 = 8.

Решение. 15 aG aG-18 a bG -10 aG bG +12 b b =15 aG 2 − 28 aGbG cos π3 +12 bG 2 =

39

+ 27 + 51 + 135 + 72 + 252 = 547.

cG G

b

ϕ

aG

Свойства векторного произведения векторов:

1)векторноеG произведениеG не коммутативно: b ×aG = −aG×b ;

2)aG×b = 0G aG bGили aG= 0 Gили b = 0;

3)(m aGG)×b = aG×(mbG ) = m( aG×b );

4)aG×(b + сG ) = aG×b + aG× сG ;

5)Если заданы векторы aG(xa, ya, za) и b (xb, yb, zb) в декартовой прямоугольной системе координат с единичными векторами i , j, k , то

40

Решение.

(aG + 3b) ×(3aG +b) = 3aG×aG + aG×b +9b ×aG + 3b ×b = −b ×aG + 9b ×aG = 8b ×aG

S = 8 b aG sin 300 = 4 (ед2).

Смешанное произведение векторов

Смешанным (векторно-скалярным) произведением векторов aG, b и c

называется число, равное скалярному произведению вектора aG на вектор, равный векторному произведениюG векторов b и c .

Обозначается aG b ×cG или ( a , b , c ).

41

5)Смешанное произведение равно нулю тогда и только тогда, если: а) хоть один из векторов равен нулю; б) два из векторов коллинеарны; в) векторы компланарны.

6)ГеометрическийG смысл смешанного произведения: смешанное произведение aGG b ×cG по модулю равно объему параллелепипеда, построенного

на векторах aG, b Gи c .

b ×cG

aG

cG

G b

Объем треугольной пирамиды, образованной векторами aG, bG и cG, равен

16 (aG,bG, cG)