5. RACHUNEK WEKTOROWY
5.1. Wektor zaczepiony i wektor swobodny
Uporządkowaną parę punktów (A, B), wyznaczającą skierowany odcinek o początku w punkcie A i końcu w punkcie B, nazywamy wektorem zaczepionym w punkcie A i oznaczamy symbolem |
Wektory
to nie te same wektory chociaż AB i BA to ten sam odcinek.
Współrzędne wektora zaczepionego
definiujemy następująco:
|
Gdy punktem początkowym wektora zaczepionego jest O (0; 0; 0), to współrzędne wektora
są identyczne ze współrzędnymi punktu B.
Przykład: Wyznaczyć współrzędne wektora zaczepionego w punkcie A(2; -1; 3) o końcu w punkcie B(4; 5; -1)
Rozwiązanie:
Otrzymujemy
= [4 - 2; 5 - (-1); -1 - 3] = [2; 6; -4].
Po dokonaniu odejmowań pozostają jako współrzędne wektora trzy liczby. Sytuacja, w której znamy tylko współrzędne wektora, nie opisuje zatem wektora zaczepionego.
Przykład: Dane są punkty A (0; 0; 0), B (1; 2; -1), C (1; 1; 1) i D (2; 3; 0). Obliczyć współrzędne wektorów zaczepionych
.
Rozwiązanie:
= [1 - 0; 2 - 0; -1 - 0] = [1; 2; -1];
= [2 - 1; 3 - 1; 0 - 1] = [1; 2; -1].
Wektory
mają więc takie same współrzędne.
Wektor swobodny jest to zbiór nieskończenie wielu wektorów zaczepionych o takich samych współrzędnych (reprezentantów danego wektora swobodnego). |
W dalszych rozważaniach zarówno wektory zaczepione jak i swobodne będziemy krótko nazywać wektorami.
5.2. Współrzędne kartezjańskie wektora
Współrzędnymi kartezjańskimi prostokątnymi wektora
w przyjętym układzie współrzędnych OXYZ, oznaczanymi przez ax , ay , az , nazywamy współrzędne tego wektora na kolejnych osiach układu, utworzone przez umieszczenie początku wektora
w początku układu współrzędnych.
Rzutując zaczepiony w początku układu współrzędnych wektor, będący reprezentantem wektora swobodnego
, na osie układu współrzędnych, otrzymujemy wzory:
ax = a cos α , ay = a cos β , az = a cos γ ,
gdzie α , β , γ są to kąty, jakie tworzy wektor
z osiami OX, OY, OZ. Liczba a we wzorach (6.2) to długość wektora
. Współrzędne wektora
można więc zapisać w postaci
= [ax ; ay ; az] = [a cos α ; a cos β ; a cos γ]
Przykład: Dane są kąty kierunkowe wektora
o długości a =5: α =π/6, β = π/3, λ = π/2. Obliczyć współrzędne wektora
.
Rozwiązanie:
ax = a cos α = 5 ⋅ cos π/6 = 5 ⋅ cos 30° = 5 ⋅
= 4,33
ay = a cos β = 5 ⋅ cos π/3 = 5 ⋅ cos 60° = 5 ⋅ 0,5 = 2,50
az = a cos γ = 5 ⋅ cos π/2 = 5 ⋅ cos 90° = 5 ⋅ 0 = 0
5.3. Długość wektora. Wersory
Jeśli
= [ax ; ay ; az], to długość wektora
, oznaczaną
lub a (bez strzałki), obliczamy ze wzoru
|
Długość wektora
oznaczamy
lub po prostu AB
Przykład: Obliczyć długość wektora o początku w punkcie
A (2; -1; 3) i końcu w punkcie B (4; 2; -1).
Rozwiązanie:
= (4 - 2)2 + (2 - (-1))2 + (-1 -3)2 = 4 + 9 + 16 = 29
Stąd
= AB =
5,385
Wektory o długości równej 1 (wektory jednostkowe), nazywamy wersorami.
Dla każdego wektora (oprócz wektora zerowego) można zbudować odpowiadający mu wersor. Jeżeli
= [ax ; ay ; az] , to wektor o współrzędnych równych
ma długość 1. Stąd dla kosinusów kierunkowych wektora mamy związek:
cos2 α + cos2 β + cos2 γ = 1 |
Dwa wektory,
, są zgodnie równoległe, gdy współrzędne jednego z tych wektorów można otrzymać ze współrzędnych drugiego, mnożąc je przez liczbę dodatnią. Gdy ta liczba musi być ujemna - mamy wektory przeciwnie równoległe
Wersorem niezerowego wektora
= [ax , ay , az], oznaczonym
, nazywamy wektor
= [ cos α, cos β, cos γ ]
Szczególnymi wersorami są wersory osi układu współrzędnych.
.
5.4. Działania na wektorach
Wprowadzimy następujące działania na wektorach:
- dodawanie wektorów (wynik jest wektorem),
- mnożenie wektora przez liczbę(wynik jest wektorem),
- mnożenie skalarne wektorów (wynik jest skalarem, tzn. liczbą),
- mnożenie wektorowe wektorów (tylko w R3; wynik jest wektorem).
Sumą wektorów
|
Przykład:
Obliczyć sumę wektorów:
= [3; -2; 5] ,
= [-1; 4; -7] ,
= [-4; -1; 2]
Rozwiązanie:
= [3 - 1 - 4; -2 + 4 -1; 5 - 7 + 2] = [-2; 1; 0]
Iloczynem różnej od zera liczby λ ∈R i niezerowego wektora |
Jest to wektor o długości
, zgodnie równoległy z wektorem
, gdy λ > 0, a przeciwnie równoległy, gdy λ < 0.
Suma iloczynów wektorów i liczb nosi nazwę kombinacji liniowej wektorów i jest - oczywiście - wektorem:
,
i = 1,2, . . . ,n.
Dwa liniowo zależne wektory
(dla których istnieje równa wektorowi zerowemu kombinacja liniowa o współczynnikach różnych od zera, tzn. istnieją λ1 i λ2 takie, że
) nazywamy współliniowymi.
Przykład:
Wektory
= [4; -6; 5] i
= [-2; 3; -2,5] są liniowo zależne, gdyż
. Można stąd wyliczyć, że
- czyli są one zgodnie równoległe. Ponieważ są to wektory swobodne, więc można wybrać reprezentanta każdego z nich, zaczepionego np. w punkcie O (0; 0; 0). Wówczas wektory te leżą „jeden na drugim”, przy czym wektor
jest dwa razy dłuższy od wektora
.
Iloczynem skalarnym dwóch niezerowych wektorów
|
Iloczyn skalarny niezerowego wektora przez siebie daje wynik równy kwadratowi długości tego wektora:
= axax + ayay + azaz = a2 czyli
Tabliczka mnożenia skalarnego wersorów osi:
|
i |
j |
k |
i |
1 |
0 |
0 |
j |
0 |
1 |
0 |
k |
0 |
0 |
1 |
Przykład:
Obliczyć iloczyn skalarny wektorów
= [2; 3; -1] i
= [-1; 3; 2].
Rozwiązanie:
= 2⋅ (-1) + 3 ⋅ 3 + (-1) ⋅ 2 = -2 + 9 - 2 = 5
Kątem niezerowych wektorów |
Wprowadzimy teraz wzór na kosinus kąta pomiędzy wektorami
. Z rysunku widać, że
, skąd
, albo
, skąd mamy
c2 = a2 -
+ b2
Z tw. kosinusów mamy:
c2 = a2 + b2 - 2ab cos
Stąd
= 2ab cos
lub
Warunek prostopadłości niezerowych wektorów:
|
W przypadku wektorów w przestrzeni wektorowej n-wymiarowej, mówimy o ortogonalności: dwa niezerowe wektory są ortogonalne, gdy ich iloczyn skalarny jest równy zero.
Iloczynem wektorowym wektorów
w trójwymiarowej przestrzeni wektorowej, oznaczanym
, nazywamy trzeci wektor,
, mający następujące cechy:
1.
2.
3. trójka wektorów
, zaczepionych w tym samym punkcie, jest ustawiona w takiej samej kolejności, jak wersory osi i, j, k (wektory
tworzą - analogicznie jak wersory osi - tak zwaną prawoskrętną trójkę wektorów).
Dla wersorów osi:
j × i = -k
k × j = -i
i × k = -j
Tabliczka mnożenia wektorowego
Ⴔ |
i |
j |
k |
i |
|
k |
-j |
j |
-k |
|
i |
k |
j |
-i |
|
Własności iloczynu wektorowego.
Własności iloczynu wektorowego:
1.
2.
3.
|
Przykład
Obliczyć iloczyn wektorowy wektorów
= [2; 3; -1] i
= [-1; 3; 2].
Rozwiązanie:
Mamy
= 2i + 3j - k oraz
= -i + 3j +2k
przekształcimy to wyrażenie do postaci następującej:
Stąd
Uogólniając, dla wektorów
= [ax ; ay ; az] i
= [bx ; by ; bz]:
|
PAMIĘTAJMY:
Przykład:
Obliczyć iloczyn wektorowy wektorów
= [2; 3; -1] i
= [-4; -6; 2].
Rozwiązanie:
Wektory
i
są równoległe.
Wzór na sin kąta między wektorami:
5.5. Rachunek wektorowy - podsumowanie
Wprowadziliśmy dwa podstawowe rodzaje wektorów: wektor zaczepiony i wektor swobodny.
Dla każdego wektora określone zostały:
długość (nazywana także modułem) - tak samo jak długość odcinka,
kierunek - od punktu początkowego do końcowego, a także
zwrot - czyli zgodna lub przeciwna równoległość w stosunku do drugiego wektora lub równoległej osi.
Położenie każdego wektora względem osi układu współrzędnych można określić przy pomocy kątów kierunkowych lub kosinusów kierunkowych.
Wektor o długości jednostkowej otrzymał nazwę „wersor”.
Wersory osi układu współrzędnych oznaczone zostały literami i, j, k. Tworzą one bazę przestrzeni wektorowej trójwymiarowej.
Wprowadzone zostały działania na wektorach:
- dodawanie wektorów (wynik jest wektorem), zapisywane:
;
- mnożenie wektora przez liczbę (wynik jest wektorem), zapisywane bez żadnego znaku między liczbą a wektorem:
R ;
- mnożenie skalarne wektorów (wynik jest skalarem, tzn. liczbą), zapisywane z użyciem kropki:
;
- mnożenie wektorowe wektorów (tylko w R3 ; wynik jest wektorem), zapisywane z użyciem krzyżyka:
.
Określone zostały warunki
- prostopadłości (ortogonalności) wektorów - z wykorzystaniem iloczynu skalarnego
- równoległości wektorów - z wykorzystaniem iloczynu wektorowego;
- współliniowości dwóch wektorów (znikanie ich kombinacji liniowej).
Wprowadzono wzory na kosinus kąta między wektorami ( z wykorzystaniem iloczynu skalarnego) i na sinus kąta między wektorami (z wykorzystaniem modułu iloczynu wektorowego).
5.6. Zadania
Dane są punkty A = (1; 1; 3) , B = (0; -1; 4) i C = (3; -5; 0). Wyznaczyć wektory
Dany jest punkt A = (1; -2; 3). Wyznaczyć punkt B, wiedząc, że a)
= [3; 5; -4] , b)
= [0; 2; 0] , c)
= [-1; 2; -3].
Dane są wektory:
= [1; 3; 4] ,
= [-3; 0; 1] ,
= [1; 3; 3] oraz
= [-1; -3; -2]. Wyznaczyć wektor
.
Dwa wektory,
, mają wspólny początek A ( 1, 2, 0), tę samą długość h = 2 i tworzą kąt
a) Narysować te wektory oraz ich sumę i różnicę. b) Narysować kilka wektorów - reprezentantów wektora swobodnego
, którego reprezentantem jest wektor
. c) Obliczyć moduł sumy i moduł różnicy wektorów
Dany jest równoległobok o bokach AB, BC, CD, DA. Wyrazić wektory
przez wektory
.
Wektory
są sąsiednimi bokami sześciokąta foremnego ABCDEF. Wyrazić wektory
za pomocą wektorów
.
Wektory
o długościach u = 1, v = 2, tworzą kąt ϕ = 60°. Obliczyć
.
Wektory
mają moduły u = 4, v = 2, w = 6 i każde dwa z tych wektorów tworzą kąt równy π/3. Obliczyć: a)
b)
c)
Dane są trzy liniowo niezależne wektory
. Zbadać liniową zależność wektorów.
Mając dane wersory
tworzące kąt 45°, utworzono wektory
i zbudowano na tych wektorach równoległobok. Obliczyć długości przekątnych tego równoległoboku.
Wyznacz długość wektora
, jego rzuty na osie układu współrzędnych, kąty, jakie tworzy z osiami współrzędnych dla następujących danych: a) A (-1; 0; 3) , B (-2; 5; 0) b) A (0; 3; -4) , B (4; 0; -3) c) A (1; 2; -3) , B (-2; -4; 6)
Obliczyć wersory wektorów
z zadania 3.
Obliczyć iloczyn skalarny wektorów
, wiedząc, że a) a =
, b = 3 ,
= π/3 b) a = 2 , b = 5 ,
= 0° c) a = 2 , b = 5 ,
= 120° d) a = 1 , b = 5 ,
= π/2 Obliczyć kąt
wiedząc, że a) a =
, b = 5 ,
= 5 b) a = 2 , b = 3 ,
= 6 c) a = 2 , b = 3 ,
= 0 d) a = 2 , b = 3 ,
= -6
Dane są punkty A = (0; -1; 3) , B (6; 5; -2) , C = (1; -2; 3). Wykazać, że
.
Dla jakich wartości parametru m a) wektory [m2 + 1; m; 1] i [10; 4; m] są równoległe? b) wektory [m2; -3; 0] i [m; m; m +2] są prostopadłe?
Zbadać, czy dwa poniższe wektory są równoległe lub prostopadłe. W przypadku równoległości wyrazić jeden z nich przez drugi: a)
= [1; 3; 4] ,
= [-3; 0; 1] b)
= [1; 5; 0] ,
= [2; 10; 1] c)
= [1; 1; 1] ,
= [-1; 1; 0]
Dane są cztery wektory. Wyrazić jeden z nich jako kombinację liniową pozostałych: a)
= [1; 3; 4] ,
= [-3; 0; 1] ,
= [1; 3; 3] ,
= [-1; -3; -2] b)
= [1; 2; 1] ,
= [-1; 0; 1] ,
= [3; 0; 0] ,
= [0; 1; -2] c)
= [6; 0; 1] ,
= [1; 1; 2] ,
= [-1; 0; 1] ,
= [0; 0; 1] d)
= [3; 0; 1] ,
= [1; 4; -2] ,
= [5; 8; -3] ,
= [2; -4; 3]
Wyznacz wektory prostopadłe do danych dwóch wektorów: a)
= [1; 3; 4] ,
= [-3; 0; 1] b)
= [1; 5; 0] ,
= [2; 10; 1] c)
= [1; 1; 1] ,
= [-1; 1; 0] d)
= [2; -3; 1] ,
= -4; 6; -2]
Wektor tworzy z osiami OX i OY kąty π/3 i π/4. Obliczyć kąt, który ten wektor tworzy z osią OZ.
Zbadać, czy oś o kosinusach kierunkowych 1/2, 1/2,
jest prostopadła do osi o kosinusach kierunkowych 0,
Oś p ma kosinusy kierunkowe 1/3, -2/3, 2/3. Obliczyć kosinusy kierunkowe osi s, wiedząc, że
.
Udowodnić, że delta Kroneckera, może być zdefiniowana w trójwymiarowej przestrzeni wektorowej przy wykorzystaniu iloczynu skalarnego wektorów bazy, jeżeli osie układu współrzędnych nazwiemy OX = OX1 , OY = OX2 , OZ = OX3, a wersory osi: i = e1 , j = e2 , k = e3. Rozszerzyć rozumowanie na przestrzeń n-wymiarową.
4.14
B
A •
Z
az
O ay
Y
ax
α
O ax X
oś OZ
wersor osi OX: i = [1; 0; 0] k
wersor osi OY: j = [0; 1; 0] j
wersor osi OZ: k = [0; 0; 1] i oś OY
oś OX
Rys. 6.5.
Wersory osi prostokątnego układu współrzędnych.
k
j
i
j -k
i lub po obróceniu
-k o kąt 180 ° i
j
k j
-i lub po obróceniu -i
o kąt 90°
j k
k
-j
i
← współrzędne wektora
← współrzędne wektora
a) Zapis:
b) Zapis: