Вектор в пространстве. Скалярное произведение ненулевых векторов

Контрольная работа - Математика и статистика

Другие контрольные работы по предмету Математика и статистика

ует с вектором ортонормированного базисана плоскости угол ? (рис. 6), тогда

 

Рис. 6

 

 

Пример: Пусть вектор векторединичной длины образует с векторами , , ортонормированного базисаортонормированного базиса в пространстве углы ?, ?, ?, соответственно (рис.7), тогда

 

Рис. 7

 

Причем

 

 

Величины называются направляющими косинусами вектора

Проекции вектора на координатные оси называются также его (декартовыми) координатами.

Если даны две точки и , являющиеся соответственно началом и концом вектора , то его координаты x,y,z определяются по формулам

 

 

В этом случае модуль вектора равен:

 

 

С использованием направляющих косинусов координаты вектора можно записать в виде:

 

С использованием проекций легко записать операции сложения (вычитания) векторов, а также умножения вектора на число:

В частности, если

 

 

Если , то для любого числа

 

 

Векторы, лежащие на одной прямой или на параллельных прямых, называются коллинеарными. Признаком коллинеарности двух векторов

 

 

является пропорциональность их координат:

 

 

Приведем еще раз определение координатного базиса (с использованием проекций).

Тройка векторовназывается координатным базисом, если эти векторы удовлетворяют следующим условиям:

). Вектор ежит на оси Ох, вектор - на оси Оу, вектор- на оси Oz;

). Каждый из векторов направлен по своей оси в положительную сторону;

). Векторы единичные, то есть

Каким бы ни был вектор , он всегда может быть разложен по базису, то есть может быть представлен в виде

 

 

коэффициенты этого разложения являются координатами вектора (то есть x, y, z есть проекции вектора на координатные оси).

2. СКАЛЯРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЕКТОРОВ

 

Определение: Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Если один из векторов нулевой скалярное произведение считается равным нулю.

Скалярное произведение векторов и обозначается через

 

Если ? - угол между векторами и , то

 

Скалярное произведение векторов и можно выразить также формулой

 

 

Из формулы (1) следует, что , если (острый угол), , если (тупой угол); в том и только в том случае, когда векторы и перпендикулярны.

Скалярное произведение называется скалярным квадратом вектора и обозначается символом . Из формулы (1) следует, что скалярный квадрат вектора равен квадрату его модуля:

 

2.1 Свойства скалярного произведения

 

Скалярное произведение обладает следующими свойствами (часть этих свойств приведена ранее. Здесь они приведены для полноты):

(коммутативность).

(скалярный квадрат вектора равен квадрату его длины).

Скалярное произведение равно нулю тогда и только тогда, когда сомножители ортогональны или хотя бы один из них нулевой

вектор пространство скалярный величина

 

:">Неравенство Коши - Буняковского : для любых векторов и выполняется неравенство:

Теорема: В ортогональном базисе компоненты любого вектора находятся по формулам:

 

 

Пусть в некотором базисе заданы векторы и тогда, пользуясь свойствами скалярного произведения, можно записать:

 

Величины называются метрическими коэффициентами данного базиса. Следовательно

 

 

Эти формулы принимают более простой (и компактный вид) в ортонормированном базисе.

Действительно, пусть , причем каждое слагаемое коллинеарно-соответствующему базисному вектору. Из теоремы второго раздела следует, что , где выбирается знак плюс или минус в зависимости от того, одинаково или противоположно направлены векторы , и . Но, , где ? - угол между векторами , и . Итак, . Аналогично вычисляются и остальные компоненты.

Теорема: В ортонормированном базисе

 

 

имеют место следующие равенства:

) для двух векторов: и имеем:

 

 

) для вектора: имеем:

 

) для векторов и проекция вектора на вектор равна:

 

 

) для векторов и угол между ними равен:

 

 

Из формулы (4) следует необходимое и достаточное условие перпендикулярности двух векторов

 

 

Проекция произвольного векторана какую-нибудь ось U определяется формулой

 

 

где - единичный вектор, направленный по оси U.

Действительно, если даны углы которые ось U составляет с координатными осями, то

 

и тогда имеет место формула:

 

3. ПРИМЕНЕНИЕ СКАЛЯРНОГО ПРОИЗВЕДЕНИЯ

 

Использование скалярного произведения крайне широко, как в элементарных, так и в весьма абстрактных областях математики, физики и прикладных наук. Ниже приведены несколько примеров использования скалярного произведения векторов.

Пример

Найти длину вектора , если

Решение:

 

Пример 4.2Теорема косинусов

 

Рис. 8

 

В треугольнике квадрат стороны с равен сумме квадратов других сторон минус удвоенн?/p>