background image

 

5. RACHUNEK WEKTOROWY 

 
Def.5.1 
Przestrzeń 

3

 - zbiór wszystkich uporządkowanych trójek  ( , , )

x y z  liczb rzeczywistych, tj. 

 

3

( , , ) :

, ,

x y z

x y z

R

 
Interpretacja geometryczna przestrzeni 

3

R  

 

Przestrzeń 

3

 interpretujemy jako: 

 

1.zbiór wszystkich punktów  ( , , )

P x y z  w przestrzeni.  

Elementy  przestrzeni 

3

  nazywamy  punktami  i  oznaczamy 

dużymi literami alfabetu tj. ABCPQ itd.  
Liczby xyz nazywamy wtedy współrzędnymi punktu  ( , , )

P x y z 

 

 

 

2.  zbiór  wszystkich  wektorów  zaczepionych 

a

OP

  w  przestrzeni. 

Wektory te mają wspólny początek  (0,0,0)

O

, a końce w punktach 

( , , )

P x y z . Wektor 

OP

 nazywamy wektorem wodzącym punktu P.  

W tej interpretacji elementy przestrzeni 

3

 nazywamy wektorami 

i oznaczamy przez 

, , , , ,

a b c u v w

 itd.  

Liczby xyz nazywamy współrzędnymi wektora 

a

 

 

 

3.zbiór  wszystkich  wektorów  swobodnych  w  przestrzeni.  Przez 

wektor  swobody 

u

  rozumiemy  zbiór  wszystkich  wektorów 

zaczepionych  w  różnych  punktach,  które  mają  ten  sam  kierunek, 
zwrot oraz długość co wektor 

u

.  

W  tej  interpretacji  elementy  przestrzeni 

3

  także  nazywamy 

wektorami

 

 
Def.5.2 
Ortokartezjańskim układem współrzędnych w przestrzeni
, który oznaczamy symbolem 

OXYZ

 nazywamy trzy 

wzajemnie prostopadłe proste xyz przecinające się w jednym punkcie 0(0,0,0). Proste  OXOYOZ nazywamy 
osiami, a płaszczyzny OXYOXZOYZ płaszczyznami układu współrzędnych

 

 
Def.5.3 
W zależności od wzajemnego położenia osi OXOYOZ układu współrzędnych wyróżniamy dwie jego orientacje: 
układ prawoskrętny i układ lewoskrętny. 

 

 

 

 

 

 

Układ prawoskrętny 

 

 

 

 

      Układ lewoskrętny 

 

background image

 

Def.5.4 

1

1

1

1

( ,

,

)

P x y z 

2

2

2

2

( ,

,

)

P x

y

z

 - dwa dowolne punkty przestrzeni 

3

  

Długość odcinka 

1 2

P P , określa wzór: 

 

2

2

2

1 2

2

1

2

1

2

1

(

)

(

)

(

)

P P

x

x

y

y

z

z

 
Def.5.5 
Wektorem
 o początku w punkcie 

1

1

1

1

( ,

,

)

P x y z  i końcu w punkcie 

2

2

2

2

( ,

,

)

P x

y

z

 nazywamy uporządkowaną parę 

punktów P

1

 i P

2

 wyznaczającą w danej przestrzeni odcinek skierowany. Wektor taki oznaczamy 

1 2

P P

 
Def.5.6 

Współrzędnymi  (lub  składowymi)  wektora 

1 2

a

P P

  o  początku  w  punkcie 

1

1

1

1

( ,

,

)

P x y z   i  końcu  w  punkcie 

2

2

2

2

( ,

,

)

P x

y

z

 nazywamy liczby: 

2

1

2

1

2

1

,

,

,

x

y

z

a

x

x

a

y

y

a

z

z

 

co zapisujemy 

1 2

2

1

2

1

2

1

,

,

PP

x

x

y

y

z

z

       lub       

1 2

,

,

x

y

z

P P

a

a

a

 

.

 

 
Def.5.7 
Wektor zerowy -
 wektor, którego koniec pokrywa się z jego początkiem. Wektor zerowy oznaczamy symbolem 

. Współrzędne wektora zerowego przedstawiają się następująco: 

0

,

0

,

0

0

 
Def.5.8 

Długością wektora 

1 2

P P

 nazywamy odległość punktów P

1

 i P

2

 

2

2

2

1 2

2

1

2

1

2

1

(

)

(

)

(

)

P P

x

x

y

y

z

z

        lub        

2

2

2

1 2

x

y

z

P P

a

a

a

 

 
Def.5.9 
Wektorem jednostkowym
 nazywamy wektor, którego długość jest równa jednostce długości. 
 
Def.5.10 

Wektory 

1, 0, 0 ,

0, 1, 0 ,

0, 0, 1

i

j

k

  nazywamy  wersorami  osi  układu  współrzędnych,  odpowiednio 

osi OXOYOZ.  
 
Def.5.11 
Punkty  A,  B,  C  przestrzeni 

3

  są  współliniowe,  gdy 

istnieje prosta, do której należą te punkty  
 
 
 
 

 

Def.5.12 
Punkty 

K

L

M

N 

przestrzeni 

3

 

są 

współpłaszczyznowe,  gdy  istnieje  płaszczyzna,  do 
której należą te punkty. 
 

 

Def.5.13 
Dwa wektory 

,

,

x

y

z

a

a

a

a

 

,

,

x

y

z

b

b

b b

 

 nazywamy równymi, jeśli 

x

x

y

y

z

z

a

b

a

b

a

b

a

b

 

background image

 

Def.5.14 
Działania na wektorach: 

 

,

,

x

y

z

a

a

a

a

 

,

,

x

y

z

b

b

b b

 

,

,

x

y

z

c

c

c

c

 

 - wektory,   

 

1. 

Suma wektorów     

,

,

x

x

y

y

z

z

c

a

b

c

a

b

a

b

a

b

 

 

 

2. 

Iloczyn wektora   przez liczbę rzeczywistą (skalar) 

   

,

,

x

y

z

c

a

c

a

a

a

 

 

 

3. 

Różnica wektorów:   

,

,

x

x

y

y

z

z

c

a b

c

a

b

a

b

a

b

 

 

 
 
Własności działań na wektorach:  

 

,

,

a b c  - wektory w 

3

,     ,

 

.  

 

1.  a

b

b

a

  

 

 

 

{przemienność dodawania wektorów} 

2.   

(

)

(

)

a

b

c

a

b

c

 

 

{łączność dodawania wektorów} 

3.   

a

a

 

0

   

 

 

(element neutralny dodawania} 

4.   

 

a

a

  

0

 

 

 

{element przeciwny} 

5.  (

)

(

)

a

a

 

 

   

 

 

 

 

 

6.  (

a

a

a

 

 

 

 

 

 

 

7. 

(

)

a

b

a

b

 

 

 

 

 

 

 
Własności długości wektora: 

 

,

a b  - wektoramy w 

3

,  

 

1. 

0

a

, przy czym 

0

a

a

  

 

2. 

a

a

 

3. 

a

b

a

b

 

 

{nierówność trójkąta} 

4. 

a

b

a

b

 

Def.5.15 
Kombinacją liniową wektorów
 

i

, gdzie 

1, 2,...,

i

n

 nazywamy wektor: 

 

1

1

2

2

1

...

n

i

i

n

n

i

a

a

a

a

gdzie 

i

1, 2,...,

i

n

 
Def.5.16 
Wektory 

i

1, 2,...,

i

n

  nazywamy  liniowo  zależnymi,  jeżeli  istnieje  n  stałych 

i

  nierównych  jednocześnie 

zeru (tj. 

2

1

0

n

i

i

) takich, że:    

1

n

i

i

i

a

 

Dla liniowo niezależnych wektorów 

i

1, 2,...,

i

n

 zachodzi implikacja: 

 

1

0,

1, 2, ... ,

n

i

i

i

i

a

i

n

0

 

background image

 

Def.5.17 
Wektory, które nie są liniowo zależne nazywamy liniowo niezależnymi
 
Def.5.18 

Dwa wektory   i   liniowo zależne nazywamy wektorami współliniowymi (lub kolinearnymi)

 

Mówimy, że wektory   i   są współliniowe, gdy istnieje 
prosta, w której zawarte są te wektory  
 

 

Def.5.19 
Dwa niezerowe wektory współliniowe (kolinearne)   i   nazywamy wektorami równoległymi.  
Piszemy wtedy  a

 
Def.5.20 
Niech 

,

,

x

y

z

a

a

a

a

 

,

,

x

y

z

b

b

b b

 

 będą niezerowymi wektorami.  

Warunkiem koniecznym i wystarczającym równoległości wektorów   i   jest zależność: 

 

1

x

y

z

x

y

z

a

a

a

rz

b

b

b

              lub         

y

x

z

x

y

z

a

a

a

b

b

b

 

 

Def.5.21 
Trzy wektory  , ,

u v w  liniowo zależne nazywamy wektorami współpłaszczyznowymi (lub komplanarnymi)

 

Mówimy, 

że 

wektory 

, ,

u v w  

są 

współpłaszczyznowe,  gdy  istnieje  płaszczyzna,  w 
której zawarte są te wektory  
 

 

Tw.5.1 

Trzy wektory 

,

,

,

,

,

,

,

,

x

y

z

x

y

z

x

y

z

u

u u

u

v

v v

v

w

w w

w

 są komplanarne (współpłaszczyznowe)  

wtedy i tylko wtedy, gdy spełniony jest warunek: 
 

0

x

y

z

x

y

z

x

y

z

u

u

u

v

v

v

w

w

w

 
 

ILOCZYN SKALARNY 

 

Def.5.22 
Niech 

u

 i   będą dowolnymi wektorami w 

3

Iloczynem skalarnym  u v  dwóch wektorów 

u

 i    nazywamy 

liczbę określoną wzorem: 

 

cos     

0

u

v

u

v

u v

u

v

  

 



0

0

0

0

gdzie 

 jest miarą kąta między wektorami 

u

 i  

background image

 

Kosinus kąta między niezerowymi wektorami 

u

 i 

 wyraża się wzorem:    cos

u v

u

v

 

Def.5.23 
Wektory 

u

 i 

 nazywamy wektorami ortogonalnymi, jeśli 

0

u v

 

 

Tw.5.2 
Niezerowe wektory 

u

 i 

 są prostopadłe, co zapisujemy  u

v

, wtedy i tylko wtedy, gdy są ortogonalne. 

 

0

u

v

u v

 

Wzór na obliczanie iloczynu skalarnego 
Iloczyn  skalarny  wektorów 

,

,

,

,

,

x

y

z

x

y

z

u

u u

u

v

v v

v

  jest  równy  sumie  iloczynów  odpowiednich 

współrzędnych tych wektorów, tzn.: 

 

x x

y

y

z z

u v

u v

u v

u v

 

 
Własności iloczynu skalarnego: 

 

, ,

u v w  - dowolne wektory w 

3

,  

 

 

1.  u v

v u

 

2. 

u

v

w

u w v w

 

3. 

 

u

v

u v

 

4. 

2

u u

u

 

5.  u v

u

v

 

 
 

ILOCZYN WEKTOROWY 

 
Def.5.24 
Niech 

u

 i   będą dowolnymi niewspółliniowymi i niezerowymi wektorami w 

3

Iloczynem wektorowym  u v

 

uporządkowanej pary wektorów 

u

 i   nazywamy taki wektor  w u v

 

, który spełnia warunki: 

 

1. wektor   jest prostopadły do płaszczyzny rozpiętej na wektorach 

u

 i  

 

2. długość wektora   jest równa iloczynowi długości wektorów 

u

 i   i sinusa kąta między nimi, tj. 

sin

w

u

v

  

,  

gdzie 

 jest miarą kąta między wektorami 

u

 i  

 

3. zwrot wektora   jest tak dobrany, by uporządkowana trójka wektorów  , ,

u v w  miała orientację zgodną z 

przyjętą orientacją przestrzeni. 

 
Jeżeli jeden z wektorów 

u

 i   jest wektorem zerowym 

lub wektory te są współliniowe, to przyjmujemy, że: 
 

u v

 

 

 

 

Sinus kąta między niezerowymi wektorami 

u

 i   wyraża się wzorem:    sin

u v

u

v

background image

 

Własności iloczynu wektorowego: 

 

, ,

u v w  - dowolne wektory w 

3

,  

 

 

1. 

u v

v u

   

 

2. 

u

v

w

u w v

w

     

 

3. 

(

)

u

v

w

u v

u w

 

   

 

4. 

 

u

v

u v

 

 

5.  u v

u

v

  

  -  (równość jest możliwa tylko wtedy, gdy wektory 

u

 i 

 są prostopadłe) 

6.  u v

u v

 

0

 

 

Wzór na obliczanie iloczynu wektorowego 

,

,

,

,

,

x

y

z

x

y

z

u

u u

u

v

v v

v

 - dowolne wektory w 

3

 

Iloczyn wektorowy tych wektorów wyraża się wzorem: 

,

,

y

z

x

y

x

z

y

z

x

y

x

z

u

u

u

u

u

u

u v

v

v

v

v

v

v

 

      lub      

x

y

z

x

y

z

i

j

k

u v

u

u

u

v

v

v

 

 

gdzie 

, ,

i j k

 oznaczają wersory odpowiednio na osiach OXOYOZ

 
Interpretacja geometryczna: 

 

1. 

Pole równoległoboku rozpiętego na wektorach 

i

AB

AC

jest równe  

 

S

AB AC

 

 

2. 

Pole trójkąta rozpiętego na wektorach 

i

AB

AC

 jest równe połowie pola równoległoboku rozpiętego na tych 

wektorach, czyli: 

1

2

ABC

S

AB AC

 

 
3. 

Pole  równoległoboku o przekątnych  ,

p q  wyraża się wzorem: 

 

1

2

S

p q

 

 

ILOCZYN MIESZANY 

 
Def.5.25 

Niech 

,

,

,

,

,

,

,

,

x

y

z

x

y

z

x

y

z

u

u u

u

v

v v

v

w

w w

w

 będą dowolnymi wektorami w 

3

.  

Iloczynem mieszanym  , ,

u v w  uporządowanej trójki wektorów  , ,

u v w  nazywamy liczbę określoną wzorem: 

 

 

, ,

u v w

u v

w

 

Wzór na obliczanie iloczynu mieszanego:   ( , ,

)

x

y

z

x

y

z

x

y

z

u

u

u

u v

w

v

v

v

w

w

w

background image

 

Własności iloczynu mieszanego: 

 

, ,

,

u v w r  - wektory w 

3

 

1. 

( , ,

)

( , , )

( ,

, )

u v w

w u v

v w u

 

2. 

( , ,

)

( , ,

)

( ,

, )

u v w

v u w

u w v

 

 

 

3. 

(

, ,

)

( , ,

)

( , ,

)

u

r v w

u v w

r v w

 

4. 

(

, , )

( , ,

)

u v w

u v w

 

5. 

( , ,

)

u v w

u

v

w

  

    (równość jest możliwa tylko wtedy, gdy przynajmniej jeden z wektorów  , ,

u v w  jest 

zerowy albo, gdy te wektory są wzajemnie prostopadłe) 

6. 

( , ,

)

0

, ,

u v w

u v w

  są komplanarne (współpłaszczyznowe).  

 
 
Interpretacja geometryczna iloczynu mieszanego wektorów:
 

 

1.  Objętości równoległościanu V rozpiętego na trzech wektorach jest równa  

, ,

V

u v w

 

 

 

2.  Objętość czworościanu 

c

 rozpiętego na wektorach  , ,

u v w  jest równa  

 

1

, ,

6

c

V

u v w

 
W  szczególności,  jeśli  dane  są  wierzchołki  tego  czworościanu: 

1

1

1

1

( ,

,

)

P x y z 

2

2

2

2

( ,

,

)

P x

y

z

3

3

3

3

( ,

,

)

P x

y

4

4

4

4

( ,

,

)

P x

y

z

 to jego objętość wyraża się wzorem: 

 

1

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

4

1

1

1

det

1

6

1

c

x

y

z

x

y

z

V

x

y

z

x

y

z