§12. Пространство геометрических векторов как пример линейного пространства
1О. Направленные отрезки.
Рассмотрим в пространстве две точки А и В. Они определяют отрезок АВ.
Def 1. Отрезок АВ называется направленным, если его концы А и В упорядочены; если при этом первой является точка А, а второй – точка В, то А – начало отрезка, а В – его конец.
Направленный отрезок обозначается или .
Def 2. Длиной направленного отрезка называется длина отрезка АВ.
Н а чертеже направленный отрезок снабжен стрелкой на конце.
Def 3. Направленные отрезки и называются сонаправленными, (обозначается ), если они лежат на параллельных прямых и направлены в одну сторону.
Направленные отрезки и называют противоположно направленными (пишут ), если они лежат на параллельных прямых и направлены в разные стороны.
Направленные отрезки и называются противоположными.
Каждую точку А пространства можно рассматривать как направленный отрезок с совпадающим началом и концом. Этот отрезок обозначается и называется нулевым направленным отрезком. Его длина считается равной нулю, а направление не определено.
Def 4. Два направленных отрезка и считаются эквивалентными, если они сонаправлены и имеют равные длины. (Обозначают ).
Эквивалентность является отношением эквивалентности в множестве всех направленных отрезков, т.к. из определения эквивалентности следует:
1о) отрезок эквивалентен сам себе;
2о) если эквивалентен , то эквивалентен ;
3о) если эквивалентен и – эквивалентен , то эквивалентен .
Так как эквивалентность направленных отрезков является отношением эквивалентности, то множество всех направленных отрезков пространства разбивается на непересекающиеся классы – классы эквивалентности. Классы эквивалентности образуют фактор-множество множества всех направленных отрезков пространства.
Def 5. Множество всех эквивалентных направленных отрезков называется вектором (или свободным вектором).
В школе вектор – это параллельный перенос.
Направление эквивалентных направленных отрезков называется направлением вектора, а их длина – длиной вектора.
Таким образом, любой направленный отрезок однозначно определяет вектор, а вектор – это класс эквивалентных направленных отрезков.
Поэтому часто будем писать: «вектор ».
Длина .
Def 6 Вектор a такой, что называется единичным вектором или ортом. Множество нулевых отрезков называется нулевым вектором . Его длина равна нулю, а направление не определено.
Def 7. Два ненулевых вектора, направления которых совпадают или противоположны, называются коллинеарными. Обозначают . Нулевой вектор считается коллинеарным любому вектору.
Очевидно, что прямые, на которых лежат представители классов коллинеарных векторов, параллельны.
Def 8. Три и более векторов называются комплонарными, если они параллельны некоторой плоскости.
Для определенности любую тройку векторов, содержащую нулевой вектор, считают комплонарной.
Пусть даны два вектора a и b. Из произвольной точки O пространства отложим и . Тогда есть направленный отрезок и значит, определяет вектор.
Покажем, что вектор не зависит от выбора точки O. Для этого выберем другую точку . Пусть , . Тогда – параллелограмм; аналогично, – параллелограмм – параллелограмм , т.е. они определяют один и тот же вектор.
Def 9. Вектор называется суммой векторов и . Пишут: .
Способ сложения векторов, изложенный выше, называется правилом треугольника. Можно также использовать правило параллелограмма.
Свойства сложения векторов.
1 о. .
2 о. .
3о. , т.к. .
4о. Для каждого вектора вектор, называемый вектором, противоположным , такой, что .
Если , то через обозначим . Тогда .
Def 10. Произведением вектора на число называется вектор , удовлетворяющий следующим условиям:
-
векторы и сонаправлены, если и противоположно направлены, если ;
-
.
Произведение вектора на число 0 есть нулевой вектор.
Пишут: .
Свойства умножения вектора на число.
-
и .
-
и вектора .
-
и вектора .
-
вектора .
Доказательство. 1) Пусть для простоты и будем использовать правило параллелограмма для сложения векторов. Если вместо и взять и , то получим подобный параллелограмм и его диагональ соответственно равна .
Доказательство 2) – 4) очевидно, такое, что получаются коллинеарные вектора.
Теорема 1. Множество векторов пространства образует линейное пространство.
Доказательство. Следует из свойств сложения векторов и умножения на число.
Замечание 1. Вычитание векторов. , т.е.
Т еорема 2. a) Множество коллинеарных векторов образует линейное пространство. б) Множество компланарных векторов образует линейное пространство.
Далее выясним размерности и базисы перечисленных пространств.