- •Глава II. Элементы векторной алгебры и аналитической геометрии
- •§1. Система координат
- •1.1 Система координат на плоскости (пространство r2 )
- •1.2 Простейшие задачи аналитической геометрии Расстояние между двумя точками на плоскости
- •Деление отрезка в данном отношении
- •§2 Векторы.
- •1.Основные понятия
- •2. Линейные операции с векторами Сложение векторов
- •Вычитание
- •Умножение вектора на число
- •3. Проекция вектора на ось
- •4.Разложение вектора по ортам координатных осей. Модуль вектора. Направляющие косинусы
- •Обозначим проекции на координатные оси, через.
- •5. Действия над векторами в координатной форме
- •§3. N- мерное векторное пространство. Линейная зависимость и независимость векторов.
- •§4. Скалярное, векторное и смешанное произведения векторов
- •4.1 Скалярное произведение, его свойства и вычисление
- •Механический смысл скалярного произведения
- •Геометрический смысл векторного произведения
- •Механический смысл векторного произведения
- •Свойства векторного произведения
- •Векторное произведение векторов, заданных координатами
- •4.3 Смешанное (векторно-скалярное) произведение векторов, его геометрический смысл
- •Свойства смешанного произведения
- •Смешанное произведение векторов, заданных координатами
Обозначим проекции на координатные оси, через.
Получим - эта формула является основной в векторном исчислении и называетсяРазложение вектора по ортам координатных осей. Числа называютсякоординатами вектора а.
Проекции вектора на оси координат называются его координатами. В этом заключается их геометрический смысл.
Векторное равенство иногда записывают в символическом виде .
Зная проекции вектора легко можно найти его длину, т.е. модуль. На основании теоремы о длине диагонали параллелепипеда .
Т.е. модуль вектора равен квадратному корню из суммы квадратов его проекций на оси координат. координат .
Пусть углы вектора с координатными осями соответственно равны . По свойству проекции вектора на ось имеем.(*)
Опр.12 Косинусы углов, которые вектор образует с осями координат, называются направляющими косинусами вектора.
Если вектор задан на плоскости, то .
Они обладают замечательным свойством:
.
Для .
Из формул (*) следует, что координатами единичного вектора являются направляющие косинусы, т.е. .
5. Действия над векторами в координатной форме
Для любой точки в ДСК координаты вектора ОМ- радиус –вектора являются её координатами
Если начало вектора не совпадает с началом координат, но известны координаты начальной A и конечной B точек, то координаты вектора представляют собой разности одноименных координат его начальной и конечной точек.
Пусть A(x1;y1),а B(x2;y2), тогда
.
Это в двумерном пространстве (R2).
Аналогично в трехмерном пространстве. Если ,, то
Если известны координаты вектора , то его модуль равен корню квадратному из суммы квадратов его координат.
.
Если , то.
Направляющие косинусы любого вектора вычисляются по нижеприведенным формулам:
.
Пустьи.
Если векторы иколлинеарны, то соответствующие координаты их пропорциональны: .
Верно и обратное, т.е. если выполняется соотношение ,то .
§3. N- мерное векторное пространство. Линейная зависимость и независимость векторов.
N- мерное векторное пространство.
2. Линейная зависимость и независимость векторов
3. Базис векторного пространства. Разложение вектора по базису
1.N- мерное векторное пространство
Пусть имеется система векторов:
Опр.13.Выражение вида: , (3.1) где-вещественные числа, называется линейной
комбинацией векторов.
Опр.14.Система векторов называетсялинейно независимой, если линейная комбинация (3.1) равна нулю при условии, что все =0, т.е. . (3.2)
Если линейная комбинация (3.1) равна нулю при условии, что хотя бы одно из чисел , то система векторов (3.1) называетсялинейно зависимой.
Если система содержит более одного вектора , то линейная зависимость её означает, что по крайней мере один из векторов системы может быть представлен в виде линейной комбинации других векторов системы. Действительно, пусть векторылинейно зависимы и пусть. Тогда в равенстве (3.2) можно обе части разделить наи выразить векторчерез остальные векторы; т.е. представить его в виде их линейной комбинации:
.
Обозначив ;; …, получим
. (3.3)
Если все члены равенства (3.3) перенести в одну сторону, то получим , т.е. линейная комбинация равна нулю при условии, что коэффициент при вектореотличен от нуля. Он равен (-1).
Вывод. Если хотя бы один из векторов является их линейной комбинацией (т.е. выражается через другие), то вся система векторов является линейно зависимой. Необходимым и достаточным условиями линейной зависимости двух векторов на плоскости (в пространстве R2) является их коллинеарность, а в трёхмерном пространстве (R3) - их компланарность.
Система, состоящая из одного вектора (пространство R1), будет линейно зависима, если этот вектор нулевой, а если он отличен от нуля – то линейно независима.
В пространстве (на прямой) линейно независимая система не может содержать более одного вектора, т.е. система из двух (и более) векторов всегда линейно зависима.
В пространстве (на плоскости) линейно независимая система не может содержать более двух векторов, т.е. любая система из трёх (и более) векторов линейно зависима.
Если в линейном пространстве имеется линейно независимых векторов, а любыевекторов линейно зависимы, то пространство называется конечномерным, если же линейное пространство таково, что в нём существуют системы сколь угодно большого числа линейно независимых векторов, то это пространство называется бесконечномерным.
Максимально возможное число линейно независимых векторов в конечномерном пространстве называют размерностью этого пространства. Если размерность пространства равна , то его называют- мерным ().
Опр.15. Система линейно независимых векторов в- мерном пространстве называетсябазисом этого пространства.
По векторам базиса можно разложить любой вектор пространства, причём единственным образом.
Разложить вектор по векторам базиса – это представить его в виде линейной комбинации векторов этого базиса.
Если базисом является линейно независимых векторов, то разложение любого векторапо этому базису имеет вид :. (3.4)
Коэффициенты этого разложения, т.е. числа называютсякоординатами вектора в данном базисе.
Для нахождения этих чисел нужно составить систему- линейных уравнений с этими неизвестными, и решить её.
Каждое уравнение составляется по формуле (3.3) из соответствующих координат этих векторов.
П р и м е р Даны векторы: ;;;.
Показать, что векторы образуют базис и разложить векторпо этому базису.
Решение. Векторы образуют базис в трёхмерном пространстве, если они линейно независимы, поэтому нужно составить определитель из координат этих векторов. Если он равен нулю, то его строки (а следовательно и векторы) являются линейно зависимыми, т.е. они не могут образовывать базис, если определитель не равен нулю, то векторы линейно независимы и образуют базис.
Разложить вектор по базису- это значит представить его в виде линейной комбинации этих векторов:
. (*)
Так как вектор получается из векторов базиса по формуле (*), то и каждая его координата получается из соответствующих координат этих векторов по этой же формуле (*).