ÿþ7
V e c t o r s
7 . 1 V e c t o r s i n T w o D i m e n s i o n s ( 2 - D )
A v e c t o r i n 2 - D i s d e f i n e d b y i t s l e n g t h a n d t h e a n g l e i t m a k e s w i t h a r e f e r e n c e
a x i s ( u s u a l l y t h e x - a x i s ) . T h i s v e c t o r i s r e p r e s e n t e d g r a p h i c a l l y b y a n a r r o w .
T h e t a i l o f t h e a r r o w i s c a l l e d t h e i n i t i a l p o i n t o f t h e v e c t o r a n d t h e t i p o f t h e
a r r o w i s t h e t e r m i n a l p o i n t . T w o v e c t o r s a r e e q u a l w h e n b o t h t h e i r l e n g t h a n d
a n g l e w i t h a r e f e r e n c e a x i s a r e e q u a l .
7 . 1 . 1 A d d i t i o n
r r r
T h e s u m o f t w o v e c t o r s u + v = w i s a v e c t o r c o n s t r u c t e d g r a p h i c a l l y a s f o l -
l o w s . A t t h e t i p o f t h e f i r s t v e c t o r , d r a w a v e c t o r e q u a l t o t h e s e c o n d v e c t o r ,
s u c h t h a t i t s t a i l c o i n c i d e s w i t h t h e t i p o f t h e f i r s t v e c t o r . T h e r e s u l t a n t v e c t o r
h a s a s i t s t a i l t h a t o f t h e f i r s t v e c t o r , a n d a s i t s t i p , t h e t i p o f t h e j u s t - d r a w n
s e c o n d v e c t o r ( t h e P a r a l l e l o g r a m R u l e ) ( s e e F i g u r e 7 . 1 ) .
T h e n e g a t i v e o f a v e c t o r i s t h a t v e c t o r w h o s e t i p a n d t a i l h a v e b e e n
e x c h a n g e d f r o m t h o s e o f t h e v e c t o r . T h i s l e a d s t o t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e d i f -
f e r e n c e o f t w o v e c t o r s i s t h e o t h e r d i a g o n a l i n t h e p a r a l l e l o g r a m ( F i g u r e 7 . 2 ) .
7 . 1 . 2 M u l t i p l i c a t i o n o f a V e c t o r b y a R e a l N u m b e r
r
I f w e m u l t i p l y a v e c t o r v b y a r e a l n u m b e r k , t h e r e s u l t i s a v e c t o r w h o s e
r r
l e n g t h i s k t i m e s t h e l e n g t h o f v , a n d w h o s e d i r e c t i o n i s t h a t o f v i f k i s p o s -
i t i v e , a n d o p p o s i t e i f k i s n e g a t i v e .
7 . 1 . 3 C a r t e s i a n R e p r e s e n t a t i o n
I t i s m o s t c o n v e n i e n t f o r a v e c t o r t o b e d e s c r i b e d b y i t s p r o j e c t i o n s o n t h e
x - a x i s a n d o n t h e y - a x i s , r e s p e c t i v e l y ; t h e s e a r e d e n o t e d b y ( v 1 , v 2 ) o r ( v x , v y ) .
I n t h i s r e p r e s e n t a t i o n :
0 - 8 4 9 3 - ? ? ? ? - ? / 0 0 / $ 0 . 0 0 + $ . 5 0
© 2 0 0 0 b y C R C P r e s s L L C
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
F I G U R E 7 . 1
S u m o f t w o v e c t o r s .
F I G U R E 7 . 2
D i f f e r e n c e o f t w o v e c t o r s .
r
u = ( u 1 , u 2 ) = ( u 1 ) ê 1 + ( u 2 ) ê 2 ( 7 . 1 )
w h e r e ê 1 a n d ê 2 a r e t h e u n i t v e c t o r s ( l e n g t h i s 1 ) p a r a l l e l t o t h e x - a x i s a n d
y - a x i s , r e s p e c t i v e l y . I n t e r m s o f t h i s r e p r e s e n t a t i o n , w e c a n w r i t e t h e z e r o v e c -
t o r , t h e s u m o f t w o v e c t o r s , a n d t h e m u l t i p l i c a t i o n o f a v e c t o r b y a r e a l n u m -
b e r a s f o l l o w s :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
r
0 = ( 0 , 0 ) = 0 ê 1 + 0 ê 2 ( 7 . 2 )
r r r
u + v = w = ( u 1 + v 1 , u 2 + v 2 ) = ( u 1 + v 1 ) ê 1 + ( u 2 + v 2 ) ê 2 ( 7 . 3 )
r
k u = ( k u 1 , k u 2 ) = ( k u 1 ) ê 1 + ( k u 2 ) ê 2 ( 7 . 4 )
P r e p a r a t o r y E x e r c i s e
P b . 7 . 1 U s i n g t h e a b o v e d e f i n i t i o n s a n d p r o p e r t i e s , p r o v e t h e f o l l o w i n g
i d e n t i t i e s :
r r r r
u + v = v + u
r r r r r r
( u + v ) + w = u + ( v + w )
r r
r r r
u + 0 = 0 + u = u
r
r r
u + ( - u ) = 0
r r
k ( l u ) = ( k l ) u
r r r r
k ( u + v ) = k u + k v
r r r
( k + l ) u = k u + l u
T h e n o r m o f a v e c t o r i s t h e l e n g t h o f t h i s v e c t o r . U s i n g t h e P y t h a g o r e a n t h e -
o r e m , i t s s q u a r e i s :
r
2
2 2
u = u 1 + u 2 ( 7 . 5 )
r
a n d t h e r e f o r e t h e u n i t v e c t o r i n t h e u d i r e c t i o n , d e n o t e d b y ê u , i s g i v e n b y :
1
ê u = ( u 1 , u 2 ) ( 7 . 6 )
2 2
u 1 + u 2
A l l o f t h e a b o v e c a n b e g e n e r a l i z e d t o 3 - D , o r f o r t h a t m a t t e r t o n - d i m e n s i o n s .
F o r e x a m p l e :
1
ê u = ( u 1 , u 2 , & , u n ) ( 7 . 7 )
2 2 2
u 1 + u 2 + & u n
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
7 . 1 . 4 M A T L A B R e p r e s e n t a t i o n o f t h e A b o v e R e s u l t s
M A T L A B d i s t i n g u i s h e s b e t w e e n t w o k i n d s o f v e c t o r s : t h e c o l u m n v e c t o r a n d
t h e r o w v e c t o r . A s l o n g a s t h e c o m p o n e n t s o f t h e v e c t o r s a r e a l l r e a l , t h e d i f -
f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o i s i n t h e s t r u c t u r e o f t h e a r r a y . I n t h e c o l u m n v e c t o r
c a s e , t h e a r r a y r e p r e s e n t a t i o n i s v e r t i c a l a n d i n t h e r o w v e c t o r c a s e , t h e a r r a y
r e p r e s e n t a t i o n i s h o r i z o n t a l . T h i s d i s t i n c t i o n i s m a d e f o r t h e p u r p o s e o f
i n c l u d i n g i n a c o n s i s t e n t s t r u c t u r e t h e f o r m u l a t i o n o f t h e d o t p r o d u c t a n d t h e
d e f i n i t i o n o f m a t r i x m u l t i p l i c a t i o n .
E x a m p l e 7 . 1
T y p e a n d e x e c u t e t h e f o l l o w i n g c o m m a n d s , w h i l e i n t e r p r e t i n g t h e o u t p u t a t
e a c h s t e p :
V = [ 1 3 5 7 ]
W = [ 1 ; 3 ; 5 ; 7 ]
V '
U = 3 * V
Z = U + V
Y = V + W % y o u c a n n o t a d d a r o w v e c t o r a n d a c o l u m n
% v e c t o r
Y o u w o u l d h a v e o b s e r v e d t h a t :
1 . T h e d i f f e r e n c e i n t h e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e c o l u m n a n d r o w v e c t o r s
i s i n t h e m a n n e r t h e y a r e s e p a r a t e d i n s i d e t h e s q u a r e b r a c k e t s .
2 . T h e s i n g l e q u o t a t i o n m a r k f o l l o w i n g a v e c t o r w i t h r e a l c o m p o n e n t s
c h a n g e s t h a t v e c t o r f r o m b e i n g a c o l u m n v e c t o r t o a r o w v e c t o r ,
a n d v i c e v e r s a .
3 . M u l t i p l y i n g a v e c t o r b y a s c a l a r s i m p l y m u l t i p l i e s e a c h c o m p o n e n t
o f t h i s v e c t o r b y t h i s s c a l a r .
4 . Y o u c a n a d d t w o v e c t o r s o f t h e s a m e k i n d a n d t h e c o m p o n e n t s
w o u l d b e a d d i n g b y p a i r s .
5 . Y o u c a n n o t a d d t w o v e c t o r s o f d i f f e r e n t k i n d s ; t h e c o m p u t e r w i l l
g i v e y o u a n e r r o r m e s s a g e a l e r t i n g y o u t h a t y o u a r e a d d i n g t w o
q u a n t i t i e s o f d i f f e r e n t d i m e n s i o n s .
T h e M A T L A B c o m m a n d f o r o b t a i n i n g t h e n o r m o f a v e c t o r i s n o r m . U s i n g
t h i s n o t a t i o n , i t i s a s i m p l e m a t t e r t o d e f i n e t h e u n i t v e c t o r i n t h e s a m e d i r e c -
t i o n a s a g i v e n v e c t o r .
E x a m p l e 7 . 2
F i n d t h e l e n g t h o f t h e v e c t o r a n d t h e u n i t v e c t o r u = [ 1 5 3 2 ] a n d t h e u n i t
v e c t o r p a r a l l e l t o i t .
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
u = [ 1 5 3 2 ]
l e n g t h u = n o r m ( u ) % l e n g t h o f v e c t o r u
u n i t u = u / ( n o r m ( u ) ) % u n i t v e c t o r p a r a l l e l t o u
l e n g t h u n i t u = n o r m ( u n i t u ) % v e r i f y l e n g t h o f u n i t v e c t o r
F I G U R E 7 . 3
T h e g e o m e t r y o f t h e g e n e r a l i z e d P y t h a g o r e a n t h e o r e m .
7 . 2 D o t ( o r S c a l a r ) P r o d u c t
r r
I f t h e a n g l e b e t w e e n t h e v e c t o r s u a n d v i s ¸, t h e n t h e d o t p r o d u c t o f t h e t w o
v e c t o r s i s :
r r r r
u Å" v = u v c o s ( ¸) ( 7 . 8 )
T h e d o t p r o d u c t c a n a l s o b e e x p r e s s e d a s a f u n c t i o n o f t h e v e c t o r s c o m p o -
n e n t s . R e f e r r i n g t o F i g u r e 7 . 3 , w e k n o w f r o m t r i g o n o m e t r y t h e r e l a t i o n r e l a t -
i n g t h e l e n g t h o f o n e s i d e o f a t r i a n g l e w i t h t h e l e n g t h o f t h e o t h e r t w o s i d e s
a n d t h e c o s i n e o f t h e a n g l e b e t w e e n t h e o t h e r t w o s i d e s . T h i s r e l a t i o n i s t h e
g e n e r a l i z e d P y t h a g o r e a n t h e o r e m . R e f e r r i n g t o F i g u r e 7 . 3 , t h i s g i v e s :
r r r r
2 2 2
P Q = u + v - 2 u v c o s ( ¸) ( 7 . 9 )
b u t s i n c e :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
r
r r
P Q = v - u ( 7 . 1 0 )
r r r r r r
1 2 2 2
Ò! u v c o s ( ¸) = ( u + v - v - u ) ( 7 . 1 1 )
2
a n d t h e d o t p r o d u c t c a n b e w r i t t e n a s :
r r
1
2 2 2 2
u Å" v = ( u 1 + u 2 + v 1 + v 2 - ( v 1 - u 1 ) 2 - ( v 2 - u 2 ) 2 = u 1 v 1 + u 2 v 2 ( 7 . 1 2 )
2
I n a n n - d i m e n s i o n a l s p a c e , t h e a b o v e e x p r e s s i o n i s g e n e r a l i z e d t o :
r r
u Å" v = u 1 v 1 + u 2 v 2 + & + u n v n ( 7 . 1 3 )
a n d t h e n o r m s q u a r e o f t h e v e c t o r c a n b e w r i t t e n a s t h e d o t p r o d u c t o f t h e
v e c t o r w i t h i t s e l f ; t h a t i s ,
r r r 2 2 2
2
u = u Å" u = u 1 + u 2 + & + u n ( 7 . 1 4 )
E x a m p l e 7 . 3
r
P a r a l l e l i s m a n d o r t h o g o n a l i t y o f t w o v e c t o r s i n a p l a n e . L e t t h e v e c t o r s u
r r r
a n d v b e g i v e n b y : u = 3 ê 1 + 4 ê 2 a n d v = a ê 1 + 7 ê 2 . W h a t i s t h e v a l u e o f a
i f t h e v e c t o r s a r e p a r a l l e l , a n d i f t h e v e c t o r s a r e o r t h o g o n a l ?
S o l u t i o n :
C a s e 1 : I f t h e v e c t o r s a r e p a r a l l e l , t h i s m e a n s t h a t t h e y m a k e t h e s a m e a n g l e
w i t h t h e x - a x i s . T h e t a n g e n t o f t h i s a n g l e i s e q u a l t o t h e r a t i o o f t h e v e c t o r
x - c o m p o n e n t t o i t s y - c o m p o n e n t . T h i s m e a n s t h a t :
a 3
= Ò! a = 2 1 / 4
7 4
C a s e 2 : I f t h e v e c t o r s a r e o r t h o g o n a l , t h i s m e a n s t h a t t h e a n g l e b e t w e e n t h e m
i s 9 0 ° , a n d t h e i r d o t p r o d u c t w i l l b e z e r o b e c a u s e t h e c o s i n e f o r t h a t a n g l e i s
z e r o . T h i s i m p l i e s t h a t :
3 a + 2 8 = 0 Ò! a = - 2 8 / 3
E x a m p l e 7 . 4
F i n d t h e u n i t v e c t o r i n 2 - D t h a t i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e l i n e a x + b y + c = 0 .
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
S o l u t i o n : C h o o s e t w o a r b i t r a r y p o i n t s o n t h i s l i n e . D e n o t e t h e i r c o o r d i n a t e s
b y ( x 1 , y 1 ) a n d ( x 2 , y 2 ) ; b e i n g o n t h e l i n e , t h e y s a t i s f y t h e e q u a t i o n o f t h e l i n e :
a x 1 + b y 1 + c = 0
a x 2 + b y 2 + c = 0
S u b s t r a c t i n g t h e f i r s t e q u a t i o n f r o m t h e s e c o n d e q u a t i o n , w e o b t a i n :
a ( x 2 - x 1 ) + b ( y 2 - y 1 ) = 0
w h i c h m e a n s t h a t ( a , b ) ¥" ( x 2 - x 1 , y 2 - y 1 ) , a n d t h e u n i t v e c t o r p e r p e n d i c u l a r
t o t h e l i n e i s :
ëø öø
a b
ê ¥" = ,
ìø ÷ø
íø øø
a 2 + b 2 a 2 + b 2
E x a m p l e 7 . 5
F i n d t h e a n g l e t h a t t h e l i n e s 3 x + 2 y + 2 = 0 a n d 2 x y + 1 = 0 a n d m a k e
t o g e t h e r .
S o l u t i o n : T h e a n g l e b e t w e e n t w o l i n e s i s e q u a l t o t h e a n g l e b e t w e e n t h e i r n o r -
m a l u n i t v e c t o r s . T h e u n i t v e c t o r s n o r m a l t o e a c h o f t h e l i n e s a r e , r e s p e c t i v e l y :
ëø 3 2 öø ëø 2 - 1 öø
Æ Æ
n 1 = , a n d n 2 = ,
ìø ÷ø ìø ÷ø
íø øø íø øø
1 3 1 3 5 5
H a v i n g t h e t w o o r t h o g o n a l u n i t v e c t o r s , i t i s a s i m p l e m a t t e r t o c o m p u t e t h e
a n g l e b e t w e e n t h e m :
4
Æ Æ
c o s ( ¸) = n 1 Å" n 2 = Ò! ¸ = 1 . 0 5 1 7 r a d i a n s
6 5
7 . 2 . 1 M A T L A B R e p r e s e n t a t i o n o f t h e D o t P r o d u c t
T h e d o t p r o d u c t i s w r i t t e n a s t h e p r o d u c t o f a r o w v e c t o r b y a c o l u m n v e c t o r
o f t h e s a m e l e n g t h .
E x a m p l e 7 . 6
F i n d t h e d o t p r o d u c t o f t h e v e c t o r s :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
u = [ 1 5 3 7 ] a n d v = [ 2 4 6 8 ]
S o l u t i o n : T y p e a n d e x e c u t e e a c h o f t h e f o l l o w i n g c o m m a n d s , w h i l e i n t e r p r e t -
i n g e a c h o u t p u t :
u = [ 1 5 3 7 ]
v = [ 2 4 6 8 ]
u * v '
v ' * u
u * v % y o u c a n n o t m u l t i p l y t w o r o w s
u ' * v
u * u '
( n o r m ( u ) ) ^ 2
A s o b s e r v e d f r o m t h e a b o v e r e s u l t s , i n M A T L A B , t h e d o t p r o d u c t c a n b e
o b t a i n e d o n l y b y t h e m u l t i p l i c a t i o n o f a r o w o n t h e l e f t a n d a c o l u m n o f t h e
s a m e l e n g t h o n t h e r i g h t . I f t h e o r d e r o f a r o w a n d c o l u m n a r e e x c h a n g e d , w e
o b t a i n a t w o - d i m e n s i o n a l a r r a y s t r u c t u r e ( i . e . , a m a t r i x , t h e s u b j e c t o f C h a p -
t e r 8 ) . O n t h e o t h e r h a n d , i f w e m u l t i p l y t w o r o w s , M A T L A B g i v e s a n e r r o r
m e s s a g e a b o u t t h e n o n - m a t c h i n g o f d i m e n s i o n s .
O b s e r v e f u r t h e r , a s p o i n t e d o u t p r e v i o u s l y , t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e l e n g t h
o f a v e c t o r a n d i t s d o t p r o d u c t w i t h i t s e l f .
I n - C l a s s E x e r c i s e s
P b . 7 . 2 G e n e r a l i z e t h e a n a l y t i c a l t e c h n i q u e , a s p r e v i o u s l y u s e d i n E x a m p l e
7 . 4 f o r f i n d i n g t h e n o r m a l t o a l i n e i n 2 - D , t o f i n d t h e u n i t v e c t o r i n 3 - D t h a t
i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e p l a n e :
a x + b y + c z + d = 0
( H i n t : A v e c t o r i s p e r p e n d i c u l a r t o a p l a n e i f i t i s p e r p e n d i c u l a r t o t w o n o n -
c o l l i n e a r v e c t o r s i n t h a t p l a n e . )
P b . 7 . 3 F i n d , i n 2 - D , t h e d i s t a n c e o f t h e p o i n t P ( x 0 , y 0 ) f r o m t h e l i n e a x + b y
+ c = 0 . ( H i n t : R e m e m b e r t h e g e o m e t r i c d e f i n i t i o n o f t h e d o t p r o d u c t . )
P b . 7 . 4 P r o v e t h e f o l l o w i n g i d e n t i t i e s :
r r r r r r r r r r r r r r r
u Å" v = v Å" u , u Å"( v + w ) = u Å" v + u Å" w , k Å"( u Å" v ) = ( k u ) Å" v
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
7 . 3 C o m p o n e n t s , D i r e c t i o n C o s i n e s , a n d P r o j e c t i o n s
7 . 3 . 1 C o m p o n e n t s
T h e c o m p o n e n t s o f a v e c t o r a r e t h e v a l u e s o f e a c h e l e m e n t i n t h e d e f i n i n g
r
n - t u p l e t r e p r e s e n t a t i o n . F o r e x a m p l e , c o n s i d e r t h e v e c t o r u = [ 1 5 3 7 ]
i n r e a l 4 - D . W e s a y t h a t i t s f i r s t , s e c o n d , t h i r d , a n d f o u r t h c o m p o n e n t s a r e 1 ,
5 , 3 , a n d 7 , r e s p e c t i v e l y . ( W e a r e m a i n t a i n i n g , i n t h i s s e c t i o n , t h e a r r o w n o t a -
t i o n f o r t h e v e c t o r s , i r r e s p e c t i v e o f t h e d i m e n s i o n o f t h e s p a c e . )
T h e s i m p l e s t b a s i s o f a n - d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e i s t h e c o l l e c t i o n o f n u n i t
v e c t o r s , e a c h h a v i n g o n l y o n e o f t h e i r c o m p o n e n t s t h a t i s n o n - z e r o a n d s u c h
t h a t t h e l o c a t i o n o f t h i s n o n - z e r o e l e m e n t i s d i f f e r e n t f o r e a c h o f t h e s e b a s i s
v e c t o r s . T h i s b a s i s i s n o t u n i q u e .
F o r e x a m p l e , i n 4 - D s p a c e , t h e c a n o n i c a l f o u r - u n i t o r t h o n o r m a l b a s i s v e c -
t o r s a r e g i v e n , r e s p e c t i v e l y , b y :
ê 1 = [ 1 0 0 0 ] ( 7 . 1 5 )
ê 2 = [ 0 1 0 0 ] ( 7 . 1 6 )
ê 3 = [ 0 0 1 0 ] ( 7 . 1 7 )
ê 4 = [ 0 0 0 1 ] ( 7 . 1 8 )
r
a n d t h e v e c t o r u c a n b e w r i t t e n a s a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f t h e b a s i s v e c t o r s :
r
u = u 1 ê 1 + u 2 ê 2 + u 3 ê 3 + u 4 ê 4 ( 7 . 1 9 )
T h e b a s i s v e c t o r s a r e c h o s e n t o b e o r t h o n o r m a l , w h i c h m e a n s t h a t i n a d d i -
t i o n t o r e q u i r i n g e a c h o n e o f t h e m t o h a v e u n i t l e n g t h , t h e y a r e a l s o o r t h o g o n a l
t w o b y t w o t o e a c h o t h e r . T h e s e p r o p e r t i e s o f t h e b a s i s v e c t o r s l e a d s u s t o t h e
f o l l o w i n g i m p o r t a n t r e s u l t : t h e m t h c o m p o n e n t o f a v e c t o r i s o b t a i n e d b y t a k -
i n g t h e d o t p r o d u c t o f t h e v e c t o r w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g u n i t v e c t o r , t h a t i s ,
r
u m = ê m Å" u ( 7 . 2 0 )
7 . 3 . 2 D i r e c t i o n C o s i n e s
T h e d i r e c t i o n c o s i n e s a r e d e f i n e d b y :
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r
u m ê m Å" u
c o s ( ³ ) = = ( 7 . 2 1 )
r r
m
u u
I n 2 - D o r 3 - D , t h e s e q u a n t i t i e s h a v e t h e g e o m e t r i c a l i n t e r p r e t a t i o n o f b e i n g
r
t h e c o s i n e o f t h e a n g l e s t h a t t h e v e c t o r u m a k e s w i t h t h e x , y , a n d z a x e s .
7 . 3 . 3 P r o j e c t i o n s
r r
T h e p r o j e c t i o n o f a v e c t o r u o v e r a v e c t o r a i s a v e c t o r w h o s e m a g n i t u d e i s
r r
t h e d o t p r o d u c t o f t h e v e c t o r u w i t h t h e u n i t v e c t o r i n t h e d i r e c t i o n o f a ,
d e n o t e d b y ê a , a n d w h o s e o r i e n t a t i o n i s i n t h e d i r e c t i o n o f ê a :
r r r r r
r r r
u Å" a a u Å" a
r
p r o j a ( u ) = ( u Å" ê a ) ê a = = a ( 7 . 2 2 )
r r
r
2
a a
a
r r
T h e c o m p o n e n t o f u t h a t i s p e r p e n d i c u l a r t o a i s o b t a i n e d b y s u b t r a c t i n g
r r r
f r o m u t h e p r o j e c t i o n v e c t o r o f u o v e r a .
M A T L A B E x a m p l e
r r
A s s u m e t h a t w e h a v e t h e v e c t o r u = ê 1 + 5 ê 2 + 3 ê 3 + 7 ê 4 a n d t h e v e c t o r a = 2 ê 1
+ 3 ê 2 + ê 3 + 4 ê 4 . W e d e s i r e t o o b t a i n t h e c o m p o n e n t s o f e a c h v e c t o r , t h e p r o j e c -
r r r r
t i o n o f u o v e r a , a n d t h e c o m p o n e n t o f u o r t h o g o n a l t o a .
T y p e , e x e c u t e , a n d i n t e r p r e t a t e a c h s t e p , e a c h o f t h e f o l l o w i n g c o m m a n d s
u s i n g t h e a b o v e d e f i n i t i o n s :
u = [ 1 5 3 7 ]
a = [ 2 3 1 4 ]
u ( 1 )
a ( 2 )
p r j u o v e r a = ( ( u * a ' ) / ( n o r m ( a ) ^ 2 ) ) * a
o r t h o u t o a = u - p r j u o v e r a
p r j u o v e r a * o r t h o u t o a '
T h e l a s t c o m m a n d s h o u l d g i v e y o u a n a n s w e r t h a t i s z e r o , u p t o m a c h i n e
r r r
r o u n d - u p e r r o r s b e c a u s e t h e p r o j e c t i o n o f u o v e r a a n d t h e c o m p o n e n t o f u
r
o r t h o g o n a l t o a a r e p e r p e n d i c u l a r .
7 . 4 T h e D i r a c N o t a t i o n a n d S o m e G e n e r a l T h e o r e m s *
T h u s f a r , w e h a v e e s t a b l i s h e d s o m e k e y p r a c t i c a l r e s u l t s i n r e a l f i n i t e d i m e n -
s i o n a l v e c t o r s p a c e s ; n a m e l y :
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1 . A v e c t o r c a n b e d e c o m p o s e d i n t o a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f t h e b a s i s
v e c t o r s .
2 . T h e d o t p r o d u c t o f t w o v e c t o r s c a n b e w r i t t e n a s t h e m u l t i p l i c a t i o n
o f a r o w v e c t o r b y a c o l u m n v e c t o r , e a c h o f w h o s e e l e m e n t s a r e
t h e c o m p o n e n t s o f t h e r e s p e c t i v e v e c t o r s .
3 . T h e n o r m o f a v e c t o r , a n o n - n e g a t i v e q u a n t i t y , i s t h e s q u a r e r o o t
o f t h e d o t p r o d u c t o f t h e v e c t o r w i t h i t s e l f .
4 . T h e u n i t v e c t o r p a r a l l e l t o a s p e c i f i c v e c t o r i s t h a t v e c t o r d i v i d e d
b y i t s n o r m .
5 . T h e p r o j e c t i o n o f a v e c t o r o n a n o t h e r c a n b e d e d u c e d f r o m t h e d o t
p r o d u c t o f t h e t w o v e c t o r s .
T o f a c i l i t a t e t h e s t a t e m e n t o f t h e s e r e s u l t s i n a n o t a t i o n t h a t w i l l b e s u i t a b l e
f o r i n f i n i t e - d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e s ( w h i c h i s v e r y b r i e f l y i n t r o d u c e d i n
S e c t i o n 7 . 7 ) , D i r a c i n h i s e l e g a n t f o r m u l a t i o n o f q u a n t u m m e c h a n i c s i n t r o -
d u c e d a s i m p l e n o t a t i o n t h a t w e n o w p r e s e n t .
T h e D i r a c n o t a t i o n r e p r e s e n t s t h e r o w v e c t o r b y w h a t h e c a l l e d t h e b r a -
v e c t o r a n d t h e c o l u m n v e c t o r b y w h a t h e c a l l e d t h e k e t - v e c t o r , s u c h t h a t
w h e n a d o t p r o d u c t i s o b t a i n e d b y j o i n i n g t h e t w o v e c t o r s , t h e r e s u l t w i l l b e
t h e s c a l a r b r a - k e t q u a n t i t y . S p e c i f i c a l l y :
r
C o l u m n v e c t o r u Ò! u ( 7 . 2 3 )
r
R o w v e c t o r v Ò! v ( 7 . 2 4 )
r r
D o t p r o d u c t v Å" u Ò! v u ( 7 . 2 5 )
T h e o r t h o n o r m a l i t y o f t h e b a s i s v e c t o r s i s w r i t t e n a s :
m n = ´m n ( 7 . 2 6 )
,
w h e r e t h e b a s i s v e c t o r s a r e r e f e r r e d t o b y t h e i r i n d i c e s , a n d w h e r e ´m , n i s t h e
K r o e n e c k e r d e l t a , e q u a l t o 1 w h e n i t s i n d i c e s a r e e q u a l , a n d z e r o o t h e r w i s e .
T h e n o r m o f a v e c t o r , a n o n - n e g a t i v e q u a n t i t y , i s g i v e n b y :
2
( n o r m o f u ) 2 = u = u u ( 7 . 2 7 )
T h e D e c o m p o s i t i o n r u l e i s w r i t t e n a s :
u = n ( 7 . 2 8 )
n
"c
n
w h e r e t h e c o m p o n e n t s a r e o b t a i n e d b y m u l t i p l y i n g E q . ( 7 . 2 8 ) o n t h e l e f t b y
m . U s i n g E q . ( 7 . 2 6 ) , w e d e d u c e :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
m u = m n = ´m , n = c m ( 7 . 2 9 )
n n
"c "c
n n
N e x t , u s i n g t h e D i r a c n o t a t i o n , w e p r e s e n t t h e p r o o f s o f t w o k e y t h e o r e m s
o f v e c t o r a l g e b r a : t h e C a u c h y - S c h w a r t z i n e q u a l i t y a n d t h e t r i a n g l e i n e q u a l i t y .
7 . 4 . 1 C a u c h y - S c h w a r t z I n e q u a l i t y
L e t u a n d v b e a n y n o n - z e r o v e c t o r s ; t h e n :
2
u v d" u u v v ( 7 . 3 0 )
P R O O F L e t µ = ± 1 , ( µ2 = 1 ) ; t h e n
ñøµ = 1 i f u v e" 0
ôø
u v = µ u v s u c h t h a t ( 7 . 3 1 )
òø
ôø
óøµ = - 1 i f u v d" 0
N o w , c o n s i d e r t h e k e t µu + t v ; i t s n o r m i s a l w a y s n o n - n e g a t i v e . C o m p u t i n g
t h i s n o r m s q u a r e , w e o b t a i n :
µu + t v µu + t v = µ2 u u + µt u v + t µ v u + t 2 v v
= u u + 2 µt u v + t 2 v v ( 7 . 3 2 )
= u u + 2 t u v + t 2 v v
T h e R H S o f t h i s q u a n t i t y i s a p o s i t i v e q u a d r a t i c p o l y n o m i a l i n t , a n d c a n b e
w r i t t e n i n t h e s t a n d a r d f o r m :
a t 2 + b t + c e" 0 ( 7 . 3 3 )
T h e n o n - n e g a t i v i t y o f t h i s q u a d r a t i c p o l y n o m i a l m e a n s t h a t i t c a n h a v e a t m o s t
o n e r e a l r o o t . T h i s m e a n s t h a t t h e d e s c r i m i n a n t m u s t s a t i s f y t h e i n e q u a l i t y :
b 2 4 a c d" 0 ( 7 . 3 4 )
R e p l a c i n g a , b , c b y t h e i r v a l u e s f r o m E q . ( 7 . 3 2 ) , w e o b t a i n :
2
4 u v - 4 u u v v d" 0 ( 7 . 3 5 )
2
Ò! u v d" u u v v ( 7 . 3 6 )
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
w h i c h i s t h e d e s i r e d r e s u l t . N o t e t h a t t h e e q u a l i t y h o l d s i f a n d o n l y i f t h e t w o
v e c t o r s a r e l i n e a r l y d e p e n d e n t ( i . e . , o n e v e c t o r i s e q u a l t o a s c a l a r m u l t i p l i e d
b y t h e o t h e r v e c t o r ) .
E x a m p l e 7 . 7
S h o w t h a t f o r a n y t h r e e n o n - z e r o n u m b e r s , u 1 , u 2 , a n d u 3 , t h e f o l l o w i n g i n e -
q u a l i t y a l w a y s h o l d s :
9 d" u 1 + u 2 + u 3 ìø + + ( 7 . 3 7 )
( ) ëø 1 1 1 öø
u 1 u 2 u 3 ÷ø
íø øø
P R O O F C h o o s e t h e v e c t o r s v a n d w s u c h t h a t :
1 / 2 1 1
v = u 1 , u 2 / 2 , u 3 / 2 ( 7 . 3 8 )
1 / 2 1 / 2 1 / 2
ëø öø ëø öø ëø öø
1 1 1
w = , , ( 7 . 3 9 )
ìø ÷ø ìø ÷ø ìø ÷ø
u 1 u 2 u 3
íø øø íø øø íø øø
t h e n :
v w = 3 ( 7 . 4 0 )
v v = ( u 1 + u 2 + u 3 ) ( 7 . 4 1 )
ëø öø
1 1 1
w w = + + ( 7 . 4 2 )
ìø
u 1 u 2 u 3 ÷ø
íø øø
A p p l y i n g t h e C a u c h y - S c h w a r t z i n e q u a l i t y i n E q . ( 7 . 3 6 ) e s t a b l i s h e s t h e
d e s i r e d r e s u l t . T h e a b o v e i n e q u a l i t y c a n b e t r i v i a l l y g e n e r a l i z e d t o n - e l e -
m e n t s , w h i c h l e a d s t o t h e f o l l o w i n g i m p o r t a n t r e s u l t f o r t h e e q u i v a l e n t r e s i s -
t a n c e f o r r e s i s t o r s a l l i n s e r i e s o r a l l i n p a r a l l e l .
A p p l i c a t i o n
T h e e q u i v a l e n t r e s i s t a n c e o f n - r e s i s t o r s a l l i n s e r i e s a n d t h e e q u i v a l e n t r e s i s -
t a n c e o f t h e s a m e n - r e s i s t o r s a l l i n p a r a l l e l o b e y t h e r e l a t i o n :
R
s e r i e s
n 2 d" ( 7 . 4 3 )
R
p a r a l l e l
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
P R O O F T h e p r o o f i s s t r a i g h t f o r w a r d . U s i n g E q . ( 7 . 3 7 ) a n d r e c a l l i n g O h m s
l a w f o r n r e s i s t o r s { R 1 , R 2 , & , R n } , t h e e q u i v a l e n t r e s i s t a n c e s f o r t h i s c o m b i n a -
t i o n , w h e n a l l r e s i s t o r s a r e i n s e r i e s o r a r e a l l i n p a r a l l e l , a r e g i v e n r e s p e c -
t i v e l y b y :
R s e r i e s = R 1 + R 2 + & + R n ( 7 . 4 4 )
a n d
1 1 1 1
= + + & + ( 7 . 4 5 )
R R 1 R 2 R n
p a r a l l e l
Q u e s t i o n : C a n y o u d e r i v e a s i m i l a r t h e o r e m f o r c a p a c i t o r s a l l i n s e r i e s a n d a l l
i n p a r a l l e l ? ( R e m e m b e r t h a t t h e e q u i v a l e n t c a p a c i t a n c e l a w i s d i f f e r e n t f o r
c a p a c i t o r s t h a n f o r r e s i s t o r s . )
7 . 4 . 2 T r i a n g l e I n e q u a l i t y
T h i s i s , a s t h e n a m e i m p l i e s , a g e n e r a l i z a t i o n o f a t h e o r e m f r o m E u c l i d e a n
g e o m e t r y i n 2 - D t h a t s t a t e s t h a t t h e l e n g t h o f o n e s i d e o f a t r i a n g l e i s s m a l l e r
o r e q u a l t o t h e s u m o f t h e t h e o t h e r t w o s i d e s . I t s g e n e r a l i z a t i o n i s
u + v d" u + v ( 7 . 4 6 )
P R O O F U s i n g t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e n o r m a n d t h e d o t p r o d u c t , w e h a v e :
2
u + v = u + v u + v = u v + 2 u v + v v
( 7 . 4 7 )
2 2 2 2
= u + 2 u v + v d" u + 2 u v + v
U s i n g t h e C a u c h y - S c h w a r t z i n e q u a l i t y f o r t h e d o t p r o d u c t a p p e a r i n g i n t h e
p r e v i o u s i n e q u a l i t y , w e d e d u c e t h a t :
2
2 2 2
u + v d" u + 2 u v + v = u + v ( 7 . 4 8 )
( )
w h i c h e s t a b l i s h e s t h e t h e o r e m .
H o m e w o r k P r o b l e m s
P b . 7 . 5 U s i n g t h e D i r a c n o t a t i o n , g e n e r a l i z e t o n - d i m e n s i o n s t h e 2 - D g e o m -
e t r y P a r a l l e l o g r a m t h e o r e m , w h i c h s t a t e s t h a t : T h e s u m o f t h e s q u a r e s o f t h e d i a g -
o n a l s o f a p a r a l l e l o g r a m i s e q u a l t o t w i c e t h e s u m o f t h e s q u a r e s o f t h e s i d e ; o r t h a t :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
r r r r r r
2 2 2 2
u + v + u - v = 2 u + 2 v
P b . 7 . 6 R e f e r r i n g t o t h e i n e q u a l i t y o f E q . ( 7 . 4 3 ) , w h i c h r e l a t e s t h e e q u i v a l e n t
r e s i s t a n c e s o f n - r e s i s t o r s i n s e r i e s a n d i n p a r a l l e l , u n d e r w h a t c o n d i t i o n s d o e s
t h e e q u a l i t y h o l d ?
7 . 5 C r o s s P r o d u c t a n d S c a l a r T r i p l e P r o d u c t *
I n t h i s s e c t i o n a n d i n S e c t i o n s 7 . 6 a n d 7 . 7 , w e r e s t r i c t o u r d i s c u s s i o n s t o v e c t o r s
i n a 3 - D s p a c e , a n d u s e t h e m o r e f a m i l i a r c o n v e n t i o n a l v e c t o r n o t a t i o n .
7 . 5 . 1 C r o s s P r o d u c t
r r
D E F I N I T I O N I f t w o v e c t o r s a r e g i v e n b y u = ( u 1 , u 2 , u 3 ) a n d v = ( v 1 , v 2 , v 3 )
r r
t h e n t h e i r c r o s s p r o d u c t , d e n o t e d b y u × v , i s a v e c t o r g i v e n b y :
r r
u × v = ( u 2 v 3 - u 3 v 2 , u 3 v 1 - u 1 v 3 , u 1 v 2 - u 2 v 1 ) ( 7 . 4 9 )
B y s i m p l e s u b s t i t u t i o n , w e c a n i n f e r t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s f o r t h e c r o s s
p r o d u c t a s s u m m a r i z e d i n t h e p r e p a r a t o r y e x e r c i s e s b e l o w .
P r e p a r a t o r y E x e r c i s e s
P b . 7 . 7 S h o w , u s i n g t h e a b o v e d e f i n i t i o n f o r t h e c r o s s p r o d u c t , t h a t :
r r r r r r r r r r
a . u Å"( u × v ) = v Å"( u × v ) = 0 Ò! u × v i s o r t h o g o n a l t o b o t h u a n d v
r r r r r r
2 2 2
b . u × v = u v - ( u Å" v ) 2 C a l l e d t h e L a g r a n g e I d e n t i t y
r r r r
c . u × v = - ( v × u ) N o n c o m m u t a t i v i t y
r r r r r r r
d . u × ( v + w ) = u × v + u × w D i s t r i b u t i v e p r o p e r t y
r r r r r r
e . k ( u × v ) = ( k u ) × v = u × ( k v )
r r
r
f . u × 0 = 0
r r r
g . u × u = 0
P b . 7 . 8 V e r i f y t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s f o r t h e b a s i s u n i t v e c t o r s :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
ê 1 × ê 2 = ê 3 ; ê 2 × ê 3 = ê 1 ; ê 3 × ê 1 = ê 2
P b . 7 . 9 A s k y o u r i n s t r u c t o r t o s h o w y o u h o w t h e R i g h t H a n d r u l e i s u s e d t o
d e t e r m i n e t h e d i r e c t i o n o f a v e c t o r e q u a l t o t h e c r o s s p r o d u c t o f t w o o t h e r
v e c t o r s .
7 . 5 . 2 G e o m e t r i c I n t e r p r e t a t i o n o f t h e C r o s s P r o d u c t
A s n o t e d i n P b . 7 . 7 a , t h e c r o s s p r o d u c t i s a v e c t o r t h a t i s p e r p e n d i c u l a r t o i t s
t w o c o n s t i t u e n t s . T h i s d e t e r m i n e s t h e r e s u l t a n t v e c t o r s d i r e c t i o n . T o d e t e r -
r
m i n e i t s m a g n i t u d e , c o n s i d e r t h e L a g r a n g e I d e n t i t y . I f t h e a n g l e b e t w e e n u
r
a n d v i s ¸, t h e n :
r r r r r r
2 2 2 2 2
u × v = u v - u v c o s 2 ( ¸) ( 7 . 5 0 )
a n d
r r r r
u × v = u v s i n ( ¸) ( 7 . 5 1 )
t h a t i s , t h e m a g n i t u d e o f t h e c r o s s p r o d u c t o f t w o v e c t o r s i s t h e a r e a o f t h e
p a r a l l e l o g r a m f o r m e d b y t h e s e v e c t o r s .
7 . 5 . 3 S c a l a r T r i p l e P r o d u c t
r r r r r
D E F I N I T I O N I f u , v , a n d w a r e v e c t o r s i n 3 - D , t h e n u Å" v × w i s c a l l e d t h e
( r )
r r r
s c a l a r t r i p l e p r o d u c t o f u , v , a n d w .
P R O P E R T Y
r r r r r r r r r
u Å"( v × w ) = v Å"( w × u ) = w Å"( u × v ) ( 7 . 5 2 )
T h i s p r o p e r t y c a n b e t r i v i a l l y p r o v e n b y w r i t i n g o u t t h e c o m p o n e n t s e x p a n -
s i o n s o f t h e t h r e e q u a n t i t i e s .
7 . 5 . 3 . 1 G e o m e t r i c I n t e r p r e t a t i o n o f t h e S c a l a r T r i p l e P r o d u c t
r r r
I f t h e v e c t o r s u , v , a n d w o r i g i n a l p o i n t s a r e b r o u g h t t o t h e s a m e o r i g i n , t h e s e
t h r e e v e c t o r s d e f i n e a p a r a l l e l e p i p e d . T h e a b s o l u t e v a l u e o f t h e s c a l a r t r i p l e
p r o d u c t c a n t h e n b e i n t e r p r e t e d a s t h e v o l u m e o f t h i s p a r a l l e l e p i p e d . W e h a v e
r r r r
s h o w n e a r l i e r t h a t v × w i s a v e c t o r t h a t i s p e r p e n d i c u l a r t o b o t h v a n d w ,
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
a n d w h o s e m a g n i t u d e i s t h e a r e a o f t h e b a s e p a r a l l e l o g r a m . F r o m t h e d e f i n i -
r
t i o n o f t h e s c a l a r p r o d u c t , d o t t i n g t h i s v e c t o r w i t h u w i l l g i v e a s c a l a r t h a t i s
t h e p r o d u c t o f t h e a r e a o f t h e p a r a l l e l e p i p e d b a s e m u l t i p l i e d b y t h e p a r a l l e l -
e p i p e d h e i g h t , w h o s e m a g n i t u d e i s e x a c t l y t h e v o l u m e o f t h e p a r a l l e l e p i p e d .
T h e c i r c u l a r p e r m u t a t i o n p r o p e r t y o f E q . ( 7 . 5 2 ) t h e n h a s a v e r y s i m p l e g e o -
m e t r i c i n t e r p r e t a t i o n : i n c o m p u t i n g t h e v o l u m e o f a p a r a l l e l e p i p e d , i t d o e s
n o t m a t t e r w h i c h s u r f a c e w e c a l l b a s e .
M A T L A B R e p r e s e n t a t i o n
r r
T h e c r o s s p r o d u c t o f t h e v e c t o r s u = ( u 1 , u 2 , u 3 ) a n d v = ( v 1 , v 2 , v 3 ) i s f o u n d
u s i n g t h e c r o s s ( u , v ) c o m m a n d .
r r r
T h e t r i p l e s c a l a r p r o d u c t o f t h e v e c t o r s u , v , a n d w i s f o u n d t h r o u g h t h e
d e t ( [ u ; v ; w ] ) c o m m a n d . M a k e s u r e t h a t t h e v e c t o r s d e f i n e d a s a r g u m e n t s
o f t h e s e f u n c t i o n s a r e d e f i n e d a s 3 - D v e c t o r s , s o t h a t t h e c o m m a n d s w o r k a n d
t h e r e s u l t s m a k e s e n s e .
E x a m p l e 7 . 8
r r r
G i v e n t h e v e c t o r s u = ( 2 , 1 , 0 ) , v = ( 0 , 3 , 0 ) , w = ( 1 , 2 , 3 ) , f i n d t h e c r o s s p r o d -
u c t o f t h e s e p a r a t e p a i r s o f t h e s e v e c t o r s , a n d t h e v o l u m e o f t h e p a r a l l e l e p i -
p e d f o r m e d b y t h e t h r e e v e c t o r s .
S o l u t i o n : T y p e , e x e c u t e , a n d i n t e r p r e t a t e a c h s t e p , e a c h o f t h e f o l l o w i n g c o m -
m a n d s , u s i n g t h e a b o v e d e f i n i t i o n s :
u = [ 2 1 0 ]
v = [ 0 3 0 ]
w = [ 1 2 3 ]
u c r o s s v = c r o s s ( u , v )
u c r o s s w = c r o s s ( u , w )
v c r o s s w = c r o s s ( v , w )
p a r a l v o l = a b s ( d e t ( [ u ; v ; w ] ) )
p a r a l v o l 2 = a b s ( c r o s s ( u , v ) * w ' )
Q u e s t i o n : V e r i f y t h a t t h e l a s t c o m m a n d i s a n a l t e r n a t e w a y o f w r i t i n g t h e v o l -
u m e o f t h e p a r a l l e l e p i p e d e x p r e s s i o n .
I n - C l a s s E x e r c i s e s
P b . 7 . 1 0 C o m p u t e t h e s h o r t e s t d i s t a n c e f r o m N e w Y o r k t o L o n d o n . ( H i n t :
( 1 ) A g r e a t c i r c l e i s t h e s h o r t e s t p a t h b e t w e e n t w o p o i n t s o n a s p h e r e ; ( 2 ) t h e
a n g l e b e t w e e n t h e r a d i a l u n i t v e c t o r s p a s s i n g t h r o u g h e a c h o f t h e c i t i e s c a n
b e o b t a i n e d f r o m t h e i r r e s p e c t i v e l a t i t u d e a n d l o n g i t u d e . )
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
P b . 7 . 1 1 F i n d t w o u n i t v e c t o r s t h a t a r e o r t h o g o n a l t o b o t h v e c t o r s g i v e n b y :
r
r
a = ( 2 , - 1 , 2 ) a n d b = ( 1 , 2 , - 3 )
P b . 7 . 1 2 F i n d t h e a r e a o f t h e t r i a n g l e w i t h v e r t i c e s a t t h e p o i n t s :
A ( 0 , - 1 , 1 ) , B ( 3 , 1 , 0 ) , a n d C ( - 2 , 0 , 2 )
P b . 7 . 1 3 F i n d t h e v o l u m e o f t h e p a r a l l e l e p i p e d f o r m e d b y t h e t h r e e v e c t o r s :
r r r
u = ( 1 , 2 , 0 ) , v = ( 0 , 3 , 0 ) , w = ( 1 , 2 , 3 )
P b . 7 . 1 4 D e t e r m i n e t h e e q u a t i o n o f a p l a n e t h a t p a s s e s t h r o u g h t h e p o i n t
( 1 , 1 , 1 ) a n d i s n o r m a l t o t h e v e c t o r ( 2 , 1 , 2 ) .
P b . 7 . 1 5 F i n d t h e a n g l e o f i n t e r s e c t i o n o f t h e p l a n e s :
x + y - z = 0 a n d x - 3 y + z - 1 = 0
P b . 7 . 1 6 F i n d t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e p o i n t ( 3 , 1 , 2 ) a n d t h e p l a n e z = 2 x
3 y .
P b . 7 . 1 7 F i n d t h e e q u a t i o n o f t h e l i n e t h a t c o n t a i n s t h e p o i n t ( 3 , 2 , 1 ) a n d i s
p e r p e n d i c u l a r t o t h e p l a n e x + 2 y 2 z = 2 . W r i t e t h e p a r a m e t r i c e q u a t i o n f o r
t h i s l i n e .
P b . 7 . 1 8 F i n d t h e p o i n t o f i n t e r s e c t i o n o f t h e p l a n e 2 x 3 y + z = 6 a n d t h e l i n e
x - 1 y + 1 - 2
z
= =
3 1 2
P b . 7 . 1 9 S h o w t h a t t h e p o i n t s ( 1 , 5 ) , ( 3 , 1 1 ) , a n d ( 5 , 1 7 ) a r e c o l l i n e a r .
r r r
P b . 7 . 2 0 S h o w t h a t t h e t h r e e v e c t o r s u , v , a n d w a r e c o p l a n a r :
r r r
u = ( 2 , 3 , 5 ) ; v = ( 2 , 8 , 1 ) ; w = ( 8 , 2 2 , 1 2 )
P b . 7 . 2 1 F i n d t h e u n i t v e c t o r n o r m a l t o t h e p l a n e d e t e r m i n e d b y t h e p o i n t s
( 0 , 0 , 1 ) , ( 0 , 1 , 0 ) , a n d ( 1 , 0 , 0 ) .
H o m e w o r k P r o b l e m
P b . 7 . 2 2 D e t e r m i n e t h e t e t r a h e d r o n w i t h t h e l a r g e s t s u r f a c e a r e a w h o s e v e r -
t i c e s P 0 , P 1 , P 2 , a n d P 3 a r e o n t h e u n i t s p h e r e x 2 + y 2 + z 2 = 1 .
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
( H i n t s : ( 1 ) D e s i g n a t e t h e p o i n t P 0 a s n o r t h p o l e a n d c o n f i n e P 1 t o t h e z e r o
m e r i d i a n . W i t h t h i s c h o i c e , t h e c o o r d i n a t e s o f t h e v e r t i c e s a r e g i v e n b y :
P 0 = ( ¸0 = À / 2 , Æ0 = 0 )
P 1 = ( ¸1 , Æ1 = 0 )
P 2 = ( ¸2 , Æ2 )
P 3 = ( ¸3 , Æ3 )
( 2 ) F r o m s y m m e t r y , t h e o p t i m a l t e t r a h e d r o n w i l l h a v e a b a s e ( P 1 , P 2 , P 3 ) t h a t
i s a n e q u i l a t e r a l t r i a n g l e i n a p l a n e p a r a l l e l t o t h e e q u a t o r i a l p l a n e . T h e l a t i -
t u d e o f ( P 1 , P 2 , P 3 ) i s ¸, w h i l e t h e i r l o n g i t u d e s a r e ( 0 , 2 À/ 3 , 2 À/ 3 ) , r e s p e c -
t i v e l y . ( 3 ) T h e a r e a o f t h e t e t r a h e d r o n i s t h e s u m o f t h e a r e a s o f t h e f o u r
t r i a n g l e s ( 0 1 2 ) , ( 0 2 3 ) , ( 0 3 1 ) , ( 1 2 3 ) , w h e r e w e a r e i n d i c a t i n g e a c h p o i n t b y i t s
s u b s c r i p t . ( 4 ) E x p r e s s t h e a r e a a s f u n c t i o n o f ¸. F i n d t h e v a l u e o f ¸ t h a t m a x i -
m i z e s t h i s q u a n t i t y . )
7 . 6 V e c t o r V a l u e d F u n c t i o n s
A s y o u m a y r e c a l l , i n C h a p t e r 1 w e d e s c r i b e d c u r v e s i n 2 - D a n d 3 - D b y p a r a -
m e t r i c e q u a t i o n s . E s s e n t i a l l y , w e g a v e e a c h o f t h e c o o r d i n a t e s a s a f u n c t i o n o f
a p a r a m e t e r . I n e f f e c t , w e g e n e r a t e d a v e c t o r v a l u e d f u n c t i o n b e c a u s e t h e
p o s i t i o n o f t h e p o i n t d e s c r i b i n g t h e c u r v e c a n b e w r i t t e n a s :
r
R t ) = x ( t ) ê 1 + y ( t ) ê 2 + z ( t ) ê 3 ( 7 . 5 3 )
(
r
I f t h e p a r a m e t e r t w a s c h o s e n t o b e t i m e , t h e n t h e t i p o f t h e v e c t o r R t ) w o u l d
(
b e t h e p o s i t i o n o f a p o i n t o n t h a t c u r v e a s a f u n c t i o n o f t i m e . I n m e c h a n i c s ,
r
f i n d i n g R t ) i s u l t i m a t e l y t h e g o a l o f a n y p r o b l e m i n t h e d y n a m i c s o f a p o i n t
(
p a r t i c l e . I n m a n y p r o b l e m s o f e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g d e s i g n o f t u b e s a n d o t h e r
m i c r o w a v e e n g i n e e r i n g d e v i c e s , w e n e e d t o d e t e r m i n e t h e p o s i t i o n o f e l e c -
t r o n s w h o s e m o t i o n w e c o n t r o l b y a v a r i e t y o f e l e c t r i c a l a n d m a g n e t i c f i e l d s
g e o m e t r i e s . T h e f o l l o w i n g a r e t h e k i n e m a t i c s v a r i a b l e s o f t h e p r o b l e m . T h e
d y n a m i c s f o r m t h e s u b j e c t o f m e c h a n i c s c o u r s e s .
T o h e l p v i s u a l i z e t h e s h a p e o f a c u r v e g e n e r a t e d b y t h e t i p o f t h e p o s i t i o n
r
v e c t o r R t ) , w e i n t r o d u c e t h e t a n g e n t v e c t o r a n d t h e n o r m a l v e c t o r t o t h e
(
c u r v e a n d t h e c u r v a t u r e o f t h e c u r v e .
T h e v e l o c i t y v e c t o r f i e l d a s s o c i a t e d w i t h t h e a b o v e p o s i t i o n v e c t o r i s
d e f i n e d t h r o u g h :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
r
d R ( t ) d x ( t ) d y ( t ) d z ( t )
= ê 1 + ê 2 + ê 3 ( 7 . 5 4 )
d t d t d t d t
a n d t h e u n i t v e c t o r t a n g e n t t o t h e c u r v e i s g i v e n b y :
r
d R ( t )
d t
Æ
T ( t ) = r ( 7 . 5 5 )
d R ( t )
d t
T h i s i s , o f c o u r s e , t h e u n i t v e c t o r t h a t i s a l w a y s i n t h e d i r e c t i o n o f t h e v e l o c i t y
o f t h e p a r t i c l e .
r
L E M M A
r
d V ( t )
I f a v e c t o r v a l u e d f u n c t i o n V ( t ) h a s a c o n s t a n t v a l u e , t h e n i t s d e r i v a t i v e i s
d t
o r t h o g o n a l t o i t .
P R O O F T h e p r o o f o f t h i s l e m m a i s s t r a i g h t f o r w a r d . I f t h e l e n g t h o f t h e v e c t o r
r r
i s c o n s t a n t , t h e n i t s d o t p r o d u c t w i t h i t s e l f i s a c o n s t a n t ; t h a t i s , V ( t ) Å"V ( t ) = C .
r
r
d V ( t )
D i f f e r e n t i a t i n g b o t h s i d e s o f t h i s e q u a t i o n g i v e s Å"V ( t ) = 0 , a n d t h e
d t
o r t h o g o n a l i t y b e t w e e n t h e t w o v e c t o r s i s t h u s e s t a b l i s h e d .
Æ
T h e t a n g e n t i a l u n i t v e c t o r T ( t ) i s , b y d e f i n i t i o n , c o n s t r u c t e d t o h a v e u n i t
l e n g t h . W e c o n s t r u c t t h e n o r m t o t h e c u r v e b y t a k i n g t h e u n i t v e c t o r i n t h e
d i r e c t i o n o f t h e t i m e - d e r i v a t i v e o f t h e t a n g e n t i a l v e c t o r ; t h a t i s ,
Æ
d T ( t )
d t
Æ
N t ) = ( 7 . 5 6 )
(
Æ
d T ( t )
d t
T h e c u r v a t u r e o f t h e c u r v e i s
Æ
d T ( t )
d t
º = r ( 7 . 5 7 )
d R ( t )
d t
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
E x a m p l e 7 . 9
F i n d t h e t a n g e n t , n o r m a l , a n d c u r v a t u r e o f t h e t r a j e c t o r y o f a p a r t i c l e m o v i n g
i n u n i f o r m c i r c u l a r m o t i o n o f r a d i u s a a n d w i t h a n g u l a r f r e q u e n c y É.
S o l u t i o n : T h e p a r a m e t r i c e q u a t i o n o f m o t i o n i s
r
R t ) = a c o s ( Ét ) ê 1 + a s i n ( Ét ) ê 2
(
T h e v e l o c i t y v e c t o r i s
r
d R ( t )
= - a É s i n ( Ét ) ê 1 + a É c o s ( Ét ) ê 2
d t
a n d i t s m a g n i t u d e i s a É.
T h e t a n g e n t v e c t o r i s t h e r e f o r e :
Æ
T ( t ) = - s i n ( Ét ) ê 1 + c o s ( Ét ) ê 2
T h e n o r m a l v e c t o r i s
Æ
N t ) = - c o s ( Ét ) ê 1 - s i n ( Ét ) ê 2
(
T h e r a d i u s o f c u r v a t u r e i s
Æ
d T ( t )
d t - É c o s ( Ét ) ê 1 - É s i n ( Ét ) ê 2 1
º( t ) = = = = c o n s t a n t
r
- a É s i n ( Ét ) ê 1 + a É c o s ( Ét ) ê 2 a
d R ( t )
d t
H o m e w o r k P r o b l e m s
P b . 7 . 2 3 S h o w t h a t i n 2 - D t h e r a d i u s o f c u r v a t u r e c a n b e w r i t t e n a s :
x 2 y 2 2 - y 2 x 2 2
º =
( ( x 2 ) 2 + ( y 2 ) 2 ) 3 / 2
w h e r e t h e p r i m e r e f e r s t o t h e f i r s t d e r i v a t i v e w i t h r e s p e c t t o t i m e , a n d t h e
d o u b l e - p r i m e r e f e r s t o t h e s e c o n d d e r i v a t i v e w i t h r e s p e c t t o t i m e .
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
P b . 7 . 2 4 U s i n g t h e p a r a m e t r i c e q u a t i o n s f o r a n e l l i p s e g i v e n i n E x a m p l e
1 . 1 3 , f i n d t h e c u r v a t u r e o f t h e e l l i p s e a s f u n c t i o n o f t .
a . A t w h a t p o i n t s i s t h e c u r v a t u r e a m i n i m u m , a n d a t w h a t p o i n t s i s
i t a m a x i m u m ?
b . W h a t d o e s t h e v e l o c i t y d o a t t h e p o i n t s o f m i n i m u m a n d m a x i m u m
c u r v a t u r e ?
c . O n w h a t d a t e s o f t h e y e a r d o e s t h e p l a n e t E a r t h p a s s t h r o u g h t h e s e
p o i n t s o n i t s t r a j e c t o r y a r o u n d t h e s u n ?
7 . 7 L i n e I n t e g r a l
A s y o u m a y h a v e a l r e a d y l e a r n e d i n a n e l e m e n t a r y p h y s i c s c o u r s e : i f a f o r c e
r r
F i s a p p l i e d t o a p a r t i c l e t h a t m o v e s b y a n i n f i n i t e s i m a l d i s t a n c e "l , t h e n t h e
i n f i n i t e s i m a l w o r k d o n e b y t h e f o r c e o n t h e p a r t i c l e i s t h e s c a l a r p r o d u c t o f
t h e f o r c e b y t h e d i s p l a c e m e n t ; t h a t i s ,
r r
"W = F Å" "l ( 7 . 5 8 )
N o w , t o c a l c u l a t e t h e w o r k d o n e w h e n t h e p a r t i c l e m o v e s a l o n g a c u r v e C ,
l o c a t e d i n a p l a n e , w e n e e d t o d e f i n e t h e c o n c e p t o f a l i n e i n t e g r a l .
S u p p o s e t h a t t h e c u r v e i s d e s c r i b e d p a r a m e t r i c a l l y [ i . e . , x ( t ) a n d y ( t ) a r e
g i v e n ] . F u r t h e r m o r e , s u p p o s e t h a t t h e v e c t o r f i e l d r e p r e s e n t i n g t h e f o r c e i s
g i v e n b y :
r
F = P ( x , y ) ê x + Q x , y ) ê y ( 7 . 5 9 )
(
T h e d i s p l a c e m e n t e l e m e n t i s g i v e n b y :
"l = "x ê x + "y ê y ( 7 . 6 0 )
T h e i n f i n i t e s i m a l e l e m e n t o f w o r k , w h i c h i s t h e d o t p r o d u c t o f t h e a b o v e t w o
q u a n t i t i e s , c a n t h e n b e w r i t t e n a s :
"W = P "x + Q "y ( 7 . 6 1 )
T h i s e x p r e s s i o n c a n b e s i m p l i f i e d i f t h e c u r v e i s w r i t t e n i n p a r a m e t r i c f o r m .
A s s u m i n g t h e p a r a m e t e r i s t , t h e n "W c a n b e w r i t t e n a s a f u n c t i o n o f t h e s i n -
g l e p a r a m e t e r t :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
d x d y d x d y
ëø öø
"W = P ( t ) "t + Q ( t ) "t = P ( t ) + Q t ) "t ( 7 . 6 2 )
(
ìø ÷ø
íø øø
d t d t d t d t
a n d t h e t o t a l w o r k c a n b e w r i t t e n a s a n i n t e g r a l o v e r t h e s i n g l e v a r i a b l e t :
t 1
d x d y
ëø öø
W = P ( t ) + Q t ) d t ( 7 . 6 3 )
(
ìø ÷ø
+"
íø øø
d t d t
t 0
H o m e w o r k P r o b l e m s
P b . 7 . 2 5 H o w m u c h w o r k i s d o n e i n m o v i n g t h e p a r t i c l e f r o m t h e p o i n t
r
( 0 , 0 ) t o t h e p o i n t ( 3 , 9 ) i n t h e p r e s e n c e o f t h e f o r c e F a l o n g t h e f o l l o w i n g t w o
d i f f e r e n t p a t h s ?
a . T h e p a r a b o l a y = x 2 .
b . T h e l i n e y = 3 x .
T h e f o r c e i s g i v e n b y :
r
F = x y ê x + ( x 2 + y 2 ) ê y
r
P b . 7 . 2 6 L e t F = y ê x + x ê y . C a l c u l a t e t h e w o r k m o v i n g f r o m ( 0 , 0 ) t o ( 1 , 1 )
a l o n g e a c h o f t h e f o l l o w i n g c u r v e s :
a . T h e s t r a i g h t l i n e y = x .
b . T h e p a r a b o l a y = x 2 .
c . T h e c u r v e C d e s c r i b e d b y t h e p a r a m e t r i c e q u a t i o n s :
x ( t ) = t 3 / 2 a n d y ( t ) = t 5
A v e c t o r f i e l d s u c h a s t h e p r e s e n t o n e , w h o s e l i n e i n t e g r a l i s i n d e p e n d e n t
o f t h e p a t h c h o s e n b e t w e e n f i x e d i n i t i a l a n d f i n a l p o i n t s , i s s a i d t o b e c o n s e r -
v a t i v e . I n y o u r v e c t o r c a l c u l u s c o u r s e , y o u w i l l e s t a b l i s h t h e n e c e s s a r y a n d
s u f f i c i e n t c o n d i t i o n s f o r a v e c t o r f i e l d t o b e c o n s e r v a t i v e . T h e i m p o r t a n c e o f
c o n s e r v a t i v e f i e l d s l i e s i n t h e a b i l i t y o f t h e i r d e r i v a t i o n f r o m a s c a l a r p o t e n -
t i a l . M o r e a b o u t t h i s t o p i c w i l l b e d i s c u s s e d i n e l e c t r o m a g n e t i c c o u r s e s .
7 . 8 I n f i n i t e D i m e n s i o n a l V e c t o r S p a c e s *
T h i s c h a p t e r s e c t i o n i n t r o d u c e s s o m e p r e l i m i n a r y i d e a s o n i n f i n i t e - d i m e n -
s i o n a l v e c t o r s p a c e s . W e a s s u m e t h a t t h e c o m p o n e n t s o f t h i s v e c t o r s p a c e a r e
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
c o m p l e x n u m b e r s r a t h e r t h a n r e a l n u m b e r s , a s w e h a v e r e s t r i c t e d o u r s e l v e s
t h u s f a r . U s i n g t h e s e i d e a s , w e d i s c u s s , i n a v e r y p r e l i m i n a r y f a s h i o n , F o u r i e r
s e r i e s a n d L e g e n d r e p o l y n o m i a l s .
W e u s e t h e D i r a c n o t a t i o n t o s t r e s s t h e c o m m o n a l t i e s t h a t u n i t e t h e f i n i t e -
a n d i n f i n i t e - d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e s . W e , a t t h i s l e v e l , s a c r i f i c e t h e m a t h e -
m a t i c a l r i g o r f o r t h e s a k e o f s i m p l i c i t y , a n d e v e n c o m m i t a f e w s i n s i n o u r
t r e a t m e n t o f l i m i t s . A m o r e f o r m a l a n d r i g o r o u s t r e a t m e n t o f t h i s s u b j e c t c a n
b e f o u n d i n m a n y b o o k s o n f u n c t i o n a l a n a l y s i s , t o w h i c h w e r e f e r t h e i n t e r -
e s t e d r e a d e r f o r f u r t h e r d e t a i l s .
A H i l b e r t s p a c e i s m u c h t h e s a m e t y p e o f m a t h e m a t i c a l o b j e c t a s t h e v e c t o r
s p a c e s t h a t y o u h a v e b e e n i n t r o d u c e d t o i n t h e p r e c e d i n g s e c t i o n s o f t h i s
c h a p t e r . I t s e l e m e n t s a r e f u n c t i o n s , i n s t e a d o f n - d i m e n s i o n a l v e c t o r s . I t i s i n f i -
n i t e - d i m e n s i o n a l b e c a u s e t h e f u n c t i o n h a s a v a l u e , s a y a c o m p o n e n t , a t e a c h
p o i n t i n s p a c e , a n d s p a c e i s c o n t i n u o u s w i t h a n i n f i n i t e n u m b e r o f p o i n t s .
T h e H i l b e r t s p a c e h a s t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s :
1 . T h e s p a c e i s l i n e a r u n d e r t h e t w o c o n d i t i o n s t h a t :
a . I f a i s a c o n s t a n t a n d Õ i s a n y e l e m e n t i n t h e s p a c e , t h e n a È
i s a l s o a n e l e m e n t o f t h e s p a c e ; a n d
b . I f a a n d b a r e c o n s t a n t s , a n d Õ a n d È a r e e l e m e n t s b e l o n g i n g
t o t h e s p a c e , t h e n a Õ + b È i s a l s o a n e l e m e n t o f t h e s p a c e .
2 . T h e r e i s a n i n n e r ( d o t ) p r o d u c t f o r a n y t w o e l e m e n t s i n t h e s p a c e .
T h e d e f i n i t i o n a d o p t e d h e r e f o r t h i s i n n e r p r o d u c t f o r f u n c t i o n s
d e f i n e d i n t h e i n t e r v a l t m i n d" t d" t m a x i s :
t m a x
È Õ = È( t ) Õ( t ) d t ( 7 . 6 4 )
+"
t m i n
3 . A n y e l e m e n t o f t h e s p a c e h a s a n o r m ( l e n g t h ) t h a t i s p o s i t i v e
a n d r e l a t e d t o t h e i n n e r p r o d u c t a s f o l l o w s :
t m a x
2
Õ = Õ Õ = Õ( t ) Õ( t ) d t ( 7 . 6 5 )
+"
t m i n
N o t e t h a t t h e r e q u i r e m e n t f o r t h e p o s i t i v i t y o f a n o r m i s t h a t
w h i c h n e c e s s i t a t e d t h e c o m p l e x c o n j u g a t i o n i n t h e d e f i n i t i o n o f
t h e b r a - v e c t o r .
4 . T h e H i l b e r t s p a c e i s c o m p l e t e ; o r l o o s e l y s p e a k i n g , t h e H i l b e r t
s p a c e c o n t a i n s a l l i t s l i m i t p o i n t s . T h i s c o n d i t i o n i s t o o t e c h n i c a l
a n d w i l l n o t b e f u r t h e r d i s c u s s e d h e r e .
I n t h i s H i l b e r t s p a c e , w e d e f i n e s i m i l a r c o n c e p t s t o t h o s e i n f i n i t e - d i m e n -
s i o n a l v e c t o r s p a c e s :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
" O r t h o g o n a l i t y . T w o v e c t o r s a r e o r t h o g o n a l i f :
t m a x
È Õ = È( t ) Õ( t ) d t = 0 ( 7 . 6 6 )
+"
t m i n
" B a s i s v e c t o r s . A n y f u n c t i o n i n H i l b e r t s p a c e c a n b e e x p a n d e d i n a
l i n e a r c o m b i n a t i o n o f t h e b a s i s v e c t o r s { u n } , s u c h t h a t :
Õ = u n ( 7 . 6 7 )
n
"c
n
a n d s u c h t h a t t h e e l e m e n t s o f t h e b a s i s v e c t o r s o b e y t h e o r t h o n o r -
m a l i t y r e l a t i o n s :
u m u n = ´m , n ( 7 . 6 8 )
" D e c o m p o s i t i o n r u l e . T o f i n d t h e c n s , w e f o l l o w t h e s a m e p r o c e d u r e
a d o p t e d f o r f i n i t e - d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e s ; t h a t i s , t a k e t h e i n n e r
p r o d u c t o f t h e e x p a n s i o n i n E q . ( 7 . 6 7 ) w i t h t h e b r a u m . W e o b t a i n ,
u s i n g t h e o r t h o n o r m a l i t y r e l a t i o n s [ E q . ( 7 . 6 8 ) ] , t h e f o l l o w i n g :
u m Õ = u m u n = ´m n = c m ( 7 . 6 9 )
n n ,
"c "c
n n
S a i d d i f f e r e n t l y , c m i s t h e p r o j e c t i o n o f t h e k e t Õ o n t o t h e b r a u m .
" T h e n o r m a s a f u n c t i o n o f t h e c o m p o n e n t s . T h e n o r m o f a v e c t o r c a n
b e e x p r e s s e d a s a f u n c t i o n o f i t s c o m p o n e n t s . U s i n g E q s . ( 7 . 6 7 ) a n d
( 7 . 6 8 ) , w e o b t a i n :
2
2
Õ = Õ Õ = c n ( 7 . 7 0 )
n n
""c c m u n u m = ""c c m ´n , m = "
n m n m n
S a i d d i f f e r e n t l y , t h e n o r m s q u a r e o f a v e c t o r i s e q u a l t o t h e s u m o f
t h e m a g n i t u d e s q u a r e o f t h e c o m p o n e n t s .
A p p l i c a t i o n 1 : T h e F o u r i e r S e r i e s
T h e t h e o r y o f F o u r i e r s e r i e s , a s c o v e r e d i n y o u r c a l c u l u s c o u r s e , s t a t e s t h a t a
f u n c t i o n t h a t i s p e r i o d i c , w i t h p e r i o d e q u a l t o 1 , i n s o m e n o r m a l i z e d u n i t s c a n
b e e x p a n d e d a s a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f t h e s e q u e n c e { e x p ( j 2 Àn t ) } , w h e r e n i s
a n i n t e g e r t h a t g o e s f r o m m i n u s i n f i n i t y t o p l u s i n f i n i t y . T h e p u r p o s e h e r e i s
t o r e c a s t t h e f a m i l i a r F o u r i e r s e r i e s r e s u l t s w i t h i n t h e l a n g u a g e a n d n o t a t i o n s
o f t h e a b o v e f o r m a l i s m .
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
B a s i s :
u n = e x p ( j 2 Àn t ) a n d u n = e x p ( - j 2 Àn t ) ( 7 . 7 1 )
O r t h o n o r m a l i t y o f t h e b a s i s v e c t o r s :
1 / 2
ñø
ôø1 i f m = n
u m u n = e x p ( - j 2 Àm t ) e x p ( j 2 Àn t ) d t = ( 7 . 7 2 )
òø
+"
- 1 / 2
ôø0 i f m `" n
óø
D e c o m p o s i t i o n r u l e :
" "
Õ = u n = e x p ( j 2 Àn t ) ( 7 . 7 3 )
n n
"c "c
n = - " n = - "
w h e r e
1 / 2
c n = u n Õ = e x p ( - j 2 Àn t ) Õ( t ) d t ( 7 . 7 4 )
+"
- 1 / 2
P a r s e v a l s i d e n t i t y :
"
1 / 2 1 / 2
2
2 2
Õ = Õ Õ = Õ( t ) Õ( t ) d t = Õ( t ) d t = c n ( 7 . 7 5 )
"
+"+"
- 1 / 2 - 1 / 2
n = - "
E x a m p l e 7 . 9
D e r i v e t h e a n a l y t i c e x p r e s s i o n f o r t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a c r o s s t h e c a p a c i t o r
i n t h e R L C c i r c u i t o f F i g u r e 4 . 5 i f t h e t e m p o r a l p r o f i l e o f t h e s o u r c e p o t e n t i a l
i s a p e r i o d i c f u n c t i o n , o f p e r i o d 1 , i n s o m e n o r m a l i z e d u n i t s .
S o l u t i o n :
1 . B e c a u s e t h e p o t e n t i a l i s p e r i o d i c w i t h p e r i o d 1 , i t c a n b e e x p a n d e d u s i n g
E q . ( 7 . 7 3 ) i n a F o u r i e r s e r i e s w i t h b a s i s f u n c t i o n s { e j 2 Àn t } :
ñø üø
n
V s ( t ) = R e ôø Ü e j 2 Àn t ôø ( 7 . 7 6 )
òø ýø
s
"V
ôø ôø
óø n þø
w h e r e |s n i s t h e p h a s o r a s s o c i a t e d w i t h t h e f r e q u e n c y m o d e ( 2 Àn ) . ( N o t e t h a t
n i n t h e e x p r e s s i o n s f o r t h e p h a s o r s i s a s u p e r s c r i p t a n d n o t a p o w e r . )
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
2 . W e f i n d |c n , t h e c a p a c i t o r r e s p o n s e p h a s o r a s s o c i a t e d w i t h t h e |s n e x c i t a -
t i o n . T h i s c a n b e f o u n d b y n o t i n g t h a t t h e v o l t a g e a c r o s s t h e c a p a c i t o r i s e q u a l
t o t h e c a p a c i t o r i m p e d a n c e m u l t i p l i e d b y t h e c u r r e n t p h a s o r , g i v i n g :
Ü
Z n V s n
n
|c n = Z n ( = c ( 7 . 7 7 )
c n n
Z n + Z R + Z L
c
w h e r e f r o m t h e r e s u l t s o f S e c t i o n 6 . 8 , p a r t i c u l a r l y E q s . ( 6 . 8 3 ) t h r o u g h ( 6 . 8 5 ) ,
w e h a v e :
1
Z n = ( 7 . 7 8 )
c
j 2 Àn C
n
Z L = j 2 Àn L ( 7 . 7 9 )
n
Z R = R ( 7 . 8 0 )
3 . F i n a l l y , w e u s e t h e l i n e a r i t y o f t h e O D E s y s t e m a n d w r i t e t h e s o l u t i o n a s
t h e l i n e a r s u p e r p o s i t i o n o f t h e s o l u t i o n s c o r r e s p o n d i n g t o t h e r e s p o n s e t o
e a c h o f t h e b a s i s f u n c t i o n s ; t h a t i s ,
Ü
ñø üø
Z n V s n
c j 2 Àn t
V c ( t ) = R e ôø ( 7 . 8 1 )
òø ýø
n n n
"Z + Z R + Z L e ôø
ôø ôø
c
óø n þø
l e a d i n g t o t h e e x p r e s s i o n :
ñø üø
|s n
V c ( t ) = R e ôø ( 7 . 8 2 )
òø ýø
"1 - ( 2 Àn ) 2 L C + j ( 2 Àn ) R C e j 2 Àn t ôø
ôø ôø
óø n þø
H o m e w o r k P r o b l e m
P b . 7 . 2 7 C o n s i d e r t h e R L C c i r c u i t . A s s u m i n g t h e s a m e n o t a t i o n a s i n S e c t i o n
6 . 5 . 3 , b u t n o w a s s u m e t h a t t h e s o u r c e p o t e n t i a l i s g i v e n b y :
V s = V 0 c o s 6 ( Ét )
a . F i n d a n a l y t i c a l l y t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a c r o s s t h e c a p a c i t a n c e .
( H i n t : W r i t e t h e p o w e r o f t h e t r i g o n o m e t r i c f u n c t i o n a s f u n c t i o n o f
t h e d i f f e r e n t m u l t i p l e s o f t h e a n g l e . )
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
b . F i n d n u m e r i c a l l y t h e s t e a d y - s t a t e s o l u t i o n t o t h i s p r o b l e m u s i n g
t h e t e c h n i q u e s o f C h a p t e r 4 , a n d a s s u m e f o r s o m e n o r m a l i z e d u n i t s
t h e f o l l o w i n g v a l u e s f o r t h e p a r a m e t e r s :
L C = 1 , R C = 1 , É = 2 À
c . C o m p a r e y o u r n u m e r i c a l r e s u l t s w i t h t h e a n a l y t i c a l r e s u l t s .
A p p l i c a t i o n 2 : T h e L e g e n d r e P o l y n o m i a l s
W e p r o p o s e t o s h o w t h a t t h e L e g e n d r e p o l y n o m i a l s a r e a n o r t h o n o r m a l b a s i s
f o r a l l f u n c t i o n s o f c o m p a c t s u p p o r t o v e r t h e i n t e r v a l 1 d" x d" 1 . T h u s f a r , w e
h a v e e n c o u n t e r e d t h e L e g e n d r e p o l y n o m i a l s t w i c e b e f o r e . T h e y w e r e d e f i n e d
t h r o u g h t h e i r r e c u r s i o n r e l a t i o n s i n P b . 2 . 2 5 , a n d i n S e c t i o n 4 . 7 . 1 t h r o u g h t h e i r
d e f i n i n g O D E . I n t h i s a p p l i c a t i o n , w e d e f i n e t h e L e g e n d r e p o l y n o m i a l s
t h r o u g h t h e i r g e n e r a t i n g f u n c t i o n ; s h o w h o w t h e i r d e f i n i t i o n s t h r o u g h t h e i r
r e c u r s i o n r e l a t i o n , o r t h r o u g h t h e i r O D E , c a n b e d e d u c e d f r o m t h e i r d e f i n i -
t i o n t h r o u g h t h e i r g e n e r a t i n g f u n c t i o n ; a n d s h o w t h a t t h e y c o n s t i t u t e a n
o r t h o n o r m a l b a s i s f o r f u n c t i o n s d e f i n e d o n t h e i n t e r v a l 1 d" x d" 1 .
1 . T h e g e n e r a t i n g f u n c t i o n f o r t h e L e g e n d r e p o l y n o m i a l s i s g i v e n b y
t h e s i m p l e f o r m :
"
1
G x , t ) = = ( x ) t l ( 7 . 8 3 )
(
l
"P
1 - 2 x t + t 2
l = 0
2 . T h e l o w e s t o r d e r s o f P l ( x ) c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e s m a l l t - e x p a n -
s i o n o f G ( x , t ) ; t h e r e f o r e , e x p a n d i n g E q . ( 7 . 8 3 ) t o f i r s t o r d e r i n t g i v e s :
1 + x t + Ÿ( t 2 ) = P 0 ( x ) + t P 1 ( x ) + Ÿ( t 2 ) ( 7 . 8 4 )
f r o m w h i c h , w e c a n d e d u c e t h a t :
P 0 ( x ) = 1 ( 7 . 8 5 )
P 1 ( x ) = x ( 7 . 8 6 )
3 . B y i n s p e c t i o n , i t i s s t r a i g h t f o r w a r d t o v e r i f y b y s u b s t i t u t i o n t h a t
t h e g e n e r a t i n g f u n c t i o n s a t i s f i e s t h e e q u a t i o n :
"G
( 1 - 2 x t + t 2 ) + ( t - x ) G = 0 ( 7 . 8 7 )
"t
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
B e c a u s e p o w e r s e r i e s c a n b e d i f f e r e n t i a t e d t e r m b y t e r m , E q . ( 7 . 8 7 )
g i v e s :
" "
( 1 - 2 x t + t 2 ) ( x ) t l - 1 + ( t - x ) ( x ) t l = 0 ( 7 . 8 8 )
l l
"l P "P
l = 0 l = 0
S i n c e t h i s e q u a t i o n s h o u l d h o l d t r u e f o r a l l v a l u e s o f t , t h i s m e a n s
t h a t a l l c o e f f i c i e n t s o f a n y p o w e r o f t s h o u l d b e z e r o ; t h e r e f o r e :
( l + 1 ) P l ( x ) - 2 l x P l ( x ) + ( l - 1 ) P l - 1 ( x ) + P l - 1 ( x ) - x P l ( x ) = 0 ( 7 . 8 9 )
o r c o l l e c t i n g t e r m s , t h i s c a n b e w r i t t e n a s :
( l + 1 ) P l ( x ) - ( 2 l + 1 ) x P l ( x ) + l P l - 1 ( x ) = 0 ( 7 . 9 0 )
T h i s i s t h e r e c u r s i o n r e l a t i o n o f P b . 2 . 2 5 .
4 . B y s u b s t i t u t i o n i n t h e e x p l i c i t e x p r e s s i o n o f t h e g e n e r a t i n g f u n c t i o n ,
w e c a n a l s o v e r i f y t h a t :
"G
( 1 - 2 x t + t 2 ) - t G = 0 ( 7 . 9 1 )
"x
w h i c h l e a d s t o :
" "
l
( 1 - 2 x t + t 2 ) - = ( 7 . 9 2 )
l
"d P ( x ) "P ( x ) t l + 1 0
d x
l = 0 l = 0
A g a i n , l o o k i n g a t t h e c o e f f i c i e n t s o f t h e s a m e p o w e r o f t p e r m i t s
u s t o o b t a i n a n o t h e r r e c u r s i o n r e l a t i o n :
d P l + 1 ( x ) d P l ( x ) d P l - 1 ( x )
- 2 x + - P l ( x ) = 0 ( 7 . 9 3 )
d x d x d x
d P l - 1 ( x )
D i f f e r e n t i a t i n g E q . ( 7 . 9 0 ) , w e f i r s t e l i m i n a t e a n d t h e n
d x
d P l ( x )
f r o m t h e r e s u l t i n g e q u a t i o n , a n d u s e E q . ( 7 . 9 3 ) t o o b t a i n
d x
t w o n e w r e c u r s i o n r e l a t i o n s :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
d P l + 1 ( x ) d P l ( x )
- x = ( l + 1 ) P l ( x ) ( 7 . 9 4 )
d x d x
a n d
d P l ( x ) d P l - 1 ( x )
x - = l P l ( x ) ( 7 . 9 5 )
d x d x
A d d i n g E q s . ( 7 . 9 4 ) a n d ( 7 . 9 5 ) , w e o b t a i n t h e m o r e s y m m e t r i c f o r m u l a :
d P l + 1 ( x ) d P l - 1 ( x )
- = ( 2 l + 1 ) P l ( x ) ( 7 . 9 6 )
d x d x
R e p l a c i n g l b y l 1 i n E q . ( 7 . 9 4 ) a n d e l i m i n a t i n g P l 2 ( x ) f r o m E q .
- 1
( 7 . 9 5 ) , w e f i n d t h a t :
d P l ( x )
( 1 - x 2 ) = l P l - 1 ( x ) - l x P l ( x ) ( 7 . 9 7 )
d x
D i f f e r e n t i a t i n g E q . ( 7 . 9 7 ) a n d u s i n g E q . ( 7 . 9 5 ) , w e o b t a i n :
d P l ( x )
d îø ùø
+ l ( l + 1 ) P l ( x ) = 0 ( 7 . 9 8 a )
ïø( 1 - x 2 ) d x úø
d x
ðø ûø
w h i c h c a n b e w r i t t e n i n t h e e q u i v a l e n t f o r m :
d 2 P l ( x ) d P l ( x )
( 1 - x 2 ) - 2 x + l ( l + 1 ) P l ( x ) = 0 ( 7 . 9 8 b )
d x 2 d x
w h i c h i s t h e O D E f o r t h e L e g e n d r e p o l y n o m i a l , a s p r e v i o u s l y
p o i n t e d o u t i n S e c t i o n 4 . 7 . 1 .
5 . N e x t , w e w a n t t o s h o w t h a t i f l `" m , w e h a v e t h e o r t h o g o n a l i t y
b e t w e e n a n y t w o e l e m e n t s ( w i t h d i f f e r e n t i n d i c e s ) o f t h e b a s i s ;
t h a t i s
1
P l ( x ) P ( x ) d x = 0 ( 7 . 9 9 )
m
+"
- 1
T o s h o w t h i s r e l a t i o n , w e m u l t i p l y E q . ( 7 . 9 8 ) o n t h e l e f t b y P m ( x )
a n d i n t e g r a t e t o o b t a i n :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
1
ñø d P l ( x ) üø
d îø ùø
P ( x ) - x 2 ) + l ( l + 1 ) P l ( x ) d x = 0 ( 7 . 1 0 0 )
òø ýø
m úø
+"
- 1 ðø d x ûø
óød x ïø( 1 þø
I n t e g r a t i n g t h e f i r s t t e r m b y p a r t s , w e o b t a i n :
1
d P ( x ) d P l ( x )
ñø üø
2 m
òø( x - 1 ) d x d x + l ( l + 1 ) P ( x ) P l ( x ) ýød x = 0 ( 7 . 1 0 1 )
m
+"
- 1
óø þø
S i m i l a r l y , w e c a n w r i t e t h e O D E f o r P m ( x ) , a n d m u l t i p l y o n t h e l e f t
b y P l ( x ) ; t h i s r e s u l t s i n t h e e q u a t i o n :
1
d P l ( x ) d P ( x )
ñø üø
m
( x 2 (
òø - 1 ) + m m + 1 ) P l ( x ) P ( x ) d x = 0 ( 7 . 1 0 2 )
ýø
m
+"
- 1 óø d x d x þø
N o w , s u b t r a c t i n g E q . ( 7 . 1 0 2 ) f r o m E q . ( 7 . 1 0 1 ) , w e o b t a i n :
1
[ m m + 1 ) - l ( l + 1 ) ] P l ( x ) P ( x ) d x = 0 ( 7 . 1 0 3 )
(
m
+"
- 1
B u t b e c a u s e l `" m , t h i s c a n o n l y b e s a t i s f i e d i f t h e i n t e g r a l i s z e r o ,
w h i c h i s t h e r e s u l t t h a t w e a r e a f t e r .
6 . F i n a l l y , w e c o m p u t e t h e n o r m a l i z a t i o n o f t h e b a s i s f u n c t i o n s ; t h a t
i s , c o m p u t e :
1
P l ( x ) P l ( x ) d x = N l 2 ( 7 . 1 0 4 )
+"
- 1
F r o m E q . ( 7 . 9 0 ) , w e c a n w r i t e :
P l ( x ) - ( 2 l - 1 ) x P l - 1 ( x ) + ( l - 1 ) P l - 2 ( x ) = 0 ( 7 . 1 0 5 )
I f w e m u l t i p l y t h i s e q u a t i o n b y ( 2 l + 1 ) P l ( x ) a n d s u b t r a c t f r o m i t
E q . ( 7 . 9 0 ) , w h i c h w e m u l t i p l i e d b y ( 2 l + 1 ) P l 1 ( x ) , w e o b t a i n :
l ( 2 l + 1 ) P l 2 ( x ) + ( 2 l - 1 ) ( l - 1 ) P l - 1 ( x ) P l - 2 ( x )
( 7 . 1 0 6 )
- ( l + 1 ) ( 2 l - 1 ) P l - 1 ( x ) P l + 1 ( x ) - l ( 2 l - 1 ) P l 2 ( x ) = 0
- 1
N o w i n t e g r a t e o v e r t h e i n t e r v a l [ 1 , 1 ] a n d u s i n g E q . ( 7 . 1 0 3 ) , w e
o b t a i n , f o r l = 2 , 3 , & :
© 2 0 0 1 b y C R C P r e s s L L C
1 1
( 2 l - 1 )
P l 2 ( x ) d x = P l 2 ( x ) d x ( 7 . 1 0 7 )
- 1
+"+"
( 2 l + 1 ) - 1
- 1
R e p e a t e d a p p l i c a t i o n s o f t h i s f o r m u l a a n d t h e u s e o f E q . ( 7 . 8 6 )
y i e l d s :
1 1
3 2
P l 2 ( x ) d x = P 1 2 ( x ) d x = ( 7 . 1 0 8 )
+"+"
( 2 l + 1 ) - 1
( 2 l + 1 )
- 1
D i r e c t c a l c u l a t i o n s s h o w t h a t t h i s i s a l s o v a l i d f o r l = 0 a n d l = 1 .
T h e r e f o r e , t h e o r t h o n o r m a l b a s i s f u n c t i o n s a r e g i v e n b y :
1
u l = l + P l ( x ) ( 7 . 1 0 9 )
2
T h e g e n e r a l t h e o r e m t h a t s u m m a r i z e s t h e d e c o m p o s i t i o n o f a f u n c t i o n i n t o
t h e L e g e n d r e p o l y n o m i a l s b a s i s s t a t e s :
T H E O R E M
I f t h e r e a l f u n c t i o n f ( x ) d e f i n e d o v e r t h e i n t e r v a l [ 1 , 1 ] i s p i e c e w i s e s m o o t h a n d i f t h e
1
2
i n t e g r a l f ( x ) d x <