Линейные операции над векторами

Сложение вектора производится по правилу параллелограмма: векторы и сносятся в общую точку (рис. 4.1), на них строят параллелограмм и его диагональ называют суммой векторов и .

Рис. 4.1

Поскольку вектор равен , то можно дать другое правило нахождения суммы (правило треугольника): суммой векторов и является вектор, идущий из начала в конец , если вектор приложен к концу вектора , т.е.

(4.1)

Это правило распространяется на любое число слагаемых: если векторы образуют ломаную , то суммой этих векторов является вектор , замыкающий эту ломаную, т.е.

(4.2)

В частности, если ломаная замыкается, т.е. , то сумма ее звеньев равна нуль-вектору .

Сложение векторов подчиняется обычным законам сложения ‑ сочетательному и переместительному, а также обладает обратной операцией – вычитанием.

Разностью двух векторов и , отложенных от одной точки является вектор, направленный из конца вычитаемого вектора в конец уменьшаемого вектора , т.е. (Рис. 4.2.). Это правило следует из формулы (1): т.к. , то .

Рис. 4.2

Векторы можно не только складывать и вычитать, но и умножать на числа (скаляры).

Вектор равен , где ‑ некоторое число, если:

1. коллинеарен ;

2. длина вектора отличается от длины вектора в раз, т.е. ;

3. при , и направлены в одну сторону, при ‑ в разные.

Произведение вектора на скаляр обладает следующими свойствами:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. .

Проекция вектора на ось

Пусть даны ось и вектор . Проектируя начало и конец вектора на ось , получим на ней вектор . Проекцией вектора на ось называется число, равное длине вектора , взятой со знаком плюс или минус в зависимости от того, направлен ли вектор в ту же сторону, что и ось или в противоположную. Проекция вектора на ось обозначается .

Свойства проекций:

1. , где ‑ угол между вектором и осью ;

2. ;

3. .

Пусть – произвольная конечная система векторов; ‑ произвольная система действительных чисел. Вектор называется линейной комбинацией векторов этой системы.

Из свойства проекций следует, что

.

Линейная зависимость векторов

Говорят, что векторы линейно независимы, если из равенства

(3)

следует, что .

В противном случае векторы называются линейно зависимыми. Если какой-нибудь вектор можно представить в виде , то говорят, что вектор линейно выражается через векторы .

Теорема. Векторы линейно зависимы тогда и только тогда, когда, по крайней мере, один из них линейно выражается через остальные.

Следствие. Если векторы линейно независимы, то ни один из них нельзя выразить через остальные; в частности, ни один из них не может быть нулевым.

Система, состоящая из одного вектора, линейно зависима тогда и только тогда, когда этот вектор нулевой. Любые два неколлинеарных вектора и линейно независимы. В самом деле, предположим, неколлинеарные векторы и линейно зависимы. Тогда, по предыдущей теореме, один из них, например, линейно выражается через второй, т.е. , а это противоречит неколлинеарности и . Следовательно, и линейно независимы.

Пусть и неколлинеарные векторы, ‑ произвольный вектор компланарный векторам и . Отложим векторы и от одной точки , т.е. построим (Рис. 4.3).

Рис. 4.3

Из параллелограмма видно, что

.

Следовательно, любые три компланарных вектора и линейно зависимы.

Любые три некомпланарных вектора и линейно независимы.

Если предположить, что три некомпланарных вектора и линейно зависимы, то один из них, например , линейно выражается через и , т.е. , а это говорит о том, что три вектора и лежат в одной плоскости, что противоречит условию.

Три вектора и линейно зависимы тогда и только тогда, когда определитель, составленный из их координат, равен нулю.

Пусть векторы и в некотором базисе имеют координаты , и соответственно. Тогда векторы и линейно зависимы тогда и только тогда, когда линейно зависимы их координатные столбцы. Значит, векторы и линейно зависимы тогда и только тогда, когда существуют числа , неравные одновременно нулю, что выполняется равенство:

.

Линейная зависимость означает, что существует ненулевой набор коэффициентов такой, что

4.1

.

Если один из векторов, например, , является нулевым, то система окажется линейно зависимой, т.к. равенство (4.1) будет выполнено при .

Теорема. Векторы линейно зависимы тогда и только тогда, когда один из векторов является линейной комбинацией остальных.