MATEMATYKA – Semestr II – Wektory dr Stanisław Kiełtyka
WEKTORY
¾ UKŁAD ORTOKARTEZJAŃSKI
¾ WEKTOR
¾ DZIAŁANIA NA WEKTORACH
¾ KOMBINACJA LINIOWA WEKTORÓW
¾ WARUNEK KOLINEARNOŚCI DWÓCH WEKTORÓW
¾ ILOCZYN SKALARNY
¾ ILOCZYN WEKTOROWY
¾ ILOCZYN MIESZANY TRÓJKI WEKTORÓW
PADER collection
- 1 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
UKŁAD ORTOKARTEZJAŃSKI
Układem ortokartezjańskim na płaszczyźnie nazywamy uporządkowaną parę regularnych osi liczbowych Ox i Oy wzajemnie prostopadłych mających wspólny początek O i wspólną jednostkę długości.
Układ taki oznaczamy Oxy
WEKTOR
Parą uporządkowaną punktów (A,B) czyli odcinek skierowany o początku A i końcu B
nazywamy wektorem i oznaczamy symbolem
AB
Wektor charakteryzują trzy parametry:
- kierunek
- zwrot
- długość
Punkt zaczepienia wektora jest dowolny – rozpatrujemy, więc wektory swobodne.
W przypadku gdy A=B wtedy mówimy, że wektor AB ma długość 0 ale kierunek i zwrot nieokreślony.
Kąt między wektorami a i b oznaczamy
Jego miara spełnia nierówność
0 ≤ α ≤ π
PADER collection
- 2 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
DZIAŁANIA NA WEKTORACH
SUMA WEKTORÓW
Sumą wektorów a i b oznaczoną przez a + b nazywamy wektor o początku w początku wektora a i o końcu w końcu wektora b , gdy początek wktora b pokrywa się z końcem wektora a .
Dodawanie wektorów jest:
a +
b
=
b
+
przemienne
a
( a+b ) +c=a +( b+c )
łączne
dla każdego wektora a istnieje wektor do niego przeciwny − a .
ILOCZYN WEKTORA I LICZBY
Iloczynem różnej od zera λ i niezerowego wektora a nazywamy wektor:
- o długości
- o kierunku takim jak kierunek a
- kierunek zwrocie takim jak zwrot wektora a gdy λ >0 i przeciwnym gdy λ<0
PADER collection
- 3 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
Gdy λ=0 lub a ≡ 0 to
ZADANIE:
Wykazać, że ze środkowych trójkąta można zbudować trójkąt r
Z
:
ar + b + cr = 0
r
r
r
- c + c = 0
r
r
r
r
T
:
s + s + s = 0
1
2
3
sr = cr
r
1
+
a
1
2
r
sr = b
r
1
+
c
2
2
r
r
r
s = a
1
+
b +
1
2
r
r
sr + sr + sr = ar + b + cr
r
r
1
+
a
1
+
b
1
+
c
1
2
3
2
2
2
r
r
r
r
r
s + s + s
r
3
=
a
3
+
b
3
+
c
1
2
3
2
2
2
r
sr + sr + sr
r
r
3
=
( a + b + c )
1
2
3
2
r
r
r
r
s + s + s
= 0
1
2
3
PADER collection
- 4 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
KOMBINACJA LINIOWA WEKTORÓW
r
Kombinacją liniową wektorów a i
=1,2...n nazywamy wektor
i
λ ar + λ ar + ... + λ ar
1 1
2 2
n n
gdzie λ
i
= 1,2...n
i
są liczbami rzeczywistymi
r
Wektory a i
=1,2...n nazywamy liniowo zależnymi, jeżeli istnieje ich nie trywialna i
kombinacja liniowa równa zeru:
r
r
r
r
λ a + λ a + ... + λ a = 0
1 1
2 2
n n
tzn. taka w której nie wszystkie współczynniki λ1 są zerami: np.
PADER collection
- 5 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory dr Stanisław Kiełtyka
r
r
r r
a
2 + b
3 + 2c = 0
4
1
43
2
są liniowo
zalezne
r
r
r
2c = 2
−
b
3
-
a
Wektory są liniowo zależne, jeżeli jeden z tych wektorów można przedstawić za pomocą pozostałych.
Dwa wektory nazywamy kolinearnymi, jeżeli są liniowo zależne.
Zatem dwa wektory są kolinearne, gdy jeden z nich jest wektorem zerowym lub gdy jeden z nich powstaje z drugiego w wyniku pomnożenia przez liczbę (równoległe).
PADER collection
- 6 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
WARUNEK KOLINEARNOŚCI DWÓCH WEKTORÓW
r
r
Kolinearność wektorów a = [a , a , a b
]
= [b ,b ,b
]
x
y
z
x
y
z
ma miejsce gdy:
a
ay
a
x
z
=
=
b
b
b
x
y
z
PADER collection
- 7 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory dr Stanisław Kiełtyka
ILOCZYN SKALARNY
r r
r r
Iloczynem skalarnym dwóch wektorów
b
,
a
oznaczonym przez a
o b
nazywamy liczbę
równą iloczynowi długości tych wektorów i cosinusa kąta między nimi zawartego.
r r
r r
r r
a o
b
= a ⋅b⋅cos< a
( , )
b
r
r
r r
W przypadku gdy a =
b
lub
0
=
a
0
o
b
= 0
Własności iloczynu skalarnego
r r r
1.
r
a o b
= b
o a
r r r
r r r r
2.
a o (
b + c
) =
a
o
b
+
a
o c
r r
r r r r
3. λ ⋅ a
( o )
b
= (λ ⋅ )
a o
b = a
o(b ⋅λ)
r r
r 2
r
r r
4.
a o a
= a
a
= a ⋅a
Wersorem (lub wektorem jednostkowym) nazywamy każdy wektor o długości 1.
W przestrzeni R3 wersory osi Ox, Oy, Oz oznaczać będziemy odpowiednio i, j, k.
Z def. Iloczynu skalarnego mamy:
i ⋅ i
= j ⋅ j= k
⋅ k
=1
i ⋅ j= i ⋅ k
= j⋅ k
= 0
r
r
ar o b
= ar ⋅ b ⋅ cos
α
||
r r r
b o a
= b ⋅ ar ⋅ cos(-
α
PADER collection
- 8 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
r
r
Iloczyn skalarny dwóch wektorów a = [a
, a , a
i
]
b = [b
, b , b
]
x
y
z
x
y
z
jest równy
sumie iloczynów jednoimiennych współrzędnych wektorów.
r
r
a o b = a b + a b + a b
x
x
y
y
z
z
Dowód
Wektory można przedstawić w postaci
r
r
a = a
i + a j+ a
oraz
k
b
= b i + b j + b
k
x
y
z
x
y
z
r r
a o b = (a i + a j+ a k)⋅ (b i + b j+ b )
k
x
y
z
x
y
z
r r
a
o
b = a
b + a b + a b
x x
y y
z z
Warunek prostopadłości wektorów
r
r
r
r
Jeżeli a ≠
b
i
0
≠ 0 oraz a = [a ,a ,a
b
,
]
= [b , b , b ]
x
y
z
x
y
z
to
r
r
r r
a ⊥
b ⇔ a
⋅b = 0
a
tzn.
b + a
b + a
b = 0
x x
y y
z z
Mówimy, że przestrzeń i wprowadzony w niej układ ortokartezjański Oxyz mają orientację dodatnią (lub są zorientowane w prawo) jeżeli układ Oxyz ma dla patrzącego z półprzestrzeni zawierającej dodatnią półoś Oz orientację dodatnią.
W przeciwnym razie mówimy, że przestrzeń i układ mają orientację ujemną (lub są zorientowane w lewo).
PADER collection
- 9 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory dr Stanisław Kiełtyka
ILOCZYN WEKTOROWY
r
r
Iloczynem wektorowym a ×
b uporządkowanej pary dwóch wektorów niekolinearnych r
r
b
i
a
w przestrzeni zorientowanej nazywamy wektor: r r
r r
r r
- którego długość a × b = a ⋅ b ⋅sin < (a, ) b
r
r
- który jest prostopadły do wektorów
b
i
a
tzn.
r
r
r
a
(r ×
b ) r
⊥
(
,
a
ar × )
b ⊥
b
r
r
r
r
r
r
- zwrot wektora a ×b jest taki, że uporządkowana trójka{ , a ,
b a × }
b ma orientacją
zgodną z przyjętą orientacją przestrzeni.
r
r
r
r
- jeżeli wektory
b
i
a
są kolinearne to a ×
b = 0
Własności iloczynu wektorowego
r
r
r
r
1. a ×b = −b× a
r
r
r
r
r
r r
2. a ×(b + )
c = a ×b + a × c
r
r
r
r
r
r
3. λ ⋅ a
( × )
b = (λ⋅ )
a × b = (λ ⋅ )
b × a
r r
r r
4. długość wektora a ×
tj.
b
a × b jest równa liczbowo polu równoległoboku r
r
rozpiętego na wektorach
b
i
a
.
5. i × j= k
j× k
= i k × i = j
PADER collection
- 10 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
6. i × i = j ×
j = k
× k = 0
r
r
Jeżeli a = [a
, a , a
i
]
b = [b
, b , b
]
x
y
z
x
y
z
wtedy
r
ar × b = [a b − a b ,
a b − a b , a
b − a b ]
y z
z
y
z
x
x
z
x
y
y
x
Posługując się symbolem wyznacznika możemy zapisać i
j
k
r
ar ×b = a
a
a
x
y
z
b
b
b
x
y
z
r
r
ar × b
= ar ⋅ b ⋅ sin
α = S
h
= sinα
rb
r
h
= b ⋅ sinα
PADER collection
- 11 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory
dr Stanisław Kiełtyka
ILOCZYN MIESZANY TRÓJKI WEKTORÓW
r
r
r
Iloczynem mieszanym uporządkowanej trójki wektorów
,
a
[
,
b
]
c w przestrzeni
r
r
r
zorientowanej nazywamy liczbę
,
a
(
,
b
)
c określoną
r r r
r r
)
c
b
a
(
= a
(
× )
b cr
o
Tw.
r
r
r
Jeżeli a = [a
, a ,a
,
]
b = [b
, b , b
,
]
c
= [c
, c , c
]
x
y
z
x
y
z
x
y
z
a
a
a
x
y
z
( a
c
b
)
= b b b
x
y
z
c
c
c
x
y
z
Stąd wynikają własności iloczynu wektorowego mieszanego.
1. ( a
c
b
)
=
c
b
(
a
) = (
c a )
b
2. ( a
c
b
)
= (
-
a
b c )
= −( a
c
)
b
3. ( a
× )
b o c
= a
o ( b
× c
)
Wartość bezwzględna iloczynu mieszanego trzech wektorów jest równa liczbowo objętości równoległościanu rozpiętego na tych wektorach.
PADER collection
- 12 -
MATEMATYKA – Semestr II – Wektory dr Stanisław Kiełtyka
w ⊥ b
w ⊥ a
S
h
8
7
6
4
6 4
78
r r
r r
( a
× )
b
o c
= a
× b ⋅ cr ⋅ cosα
4
1
4
2 3
rw
r
r r
w = a × b
= S
h = cos
α
⇒
h
= cr ⋅ cosα
cr
PADER collection
- 13 -