Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Пособие Элементы векторной алгебры.doc
Скачиваний:
115
Добавлен:
14.05.2015
Размер:
1.41 Mб
Скачать

5.3. Выражение смешанного произведения через координаты векторов

Теорема: Если векторы ,, заданы своими координатами=Х1 У1 Z1  и =Х2У2 Z2 ,=3; У3; Z3}, то смешанное произведение ··определяется формулой

· ·=1 1+Z1 .

Доказательство: Имеем:··= · () . По теореме о выражении векторного произведения через координаты векторов=;;.

Умножая скалярно вектор =Х1У1 Z1  на вектор и используя теорему о выражении скалярного произведения через координаты получаем

· ·= Х1 + У1 +Z1 . 

Пример. В пространстве даны четыре точки: А(1; 1; 1), В(4; 4; 4), С (3; 5 ; 5 ), D(2; 4; 7). Найти объем пирамиды, с вершинами в данных точках.

Решение. Как известно из элементарной геометрии, объем тетраэдра АВСD равен одной шестой объема параллелепипеда, построеного на векторах , , ; отсюда из теоремы о смешанном произведении заключаем, что объем тетраэдра равен абсолютной величины смешанного произведния · · . Найдем это смешанное произведение. Прежде всего, определим координаты векторов ; ; . Для этого из координат конца вектора вычесть координаты начала: = {3; 3; 3}, ={2; 4; 4}, = {1; 3; 6}. Используя теорему о смешанном произведении, получаем · · = 3 + 3 + 3 = 3 · 12 – 3 · 8 + 3 · 2 = 18. Отсюда V = · 18 = 3 куб. ед.

§6. Аксиоматические построения и система аксиом

6.1. Векторное пространство, n - мерный вектор

Множество всех плоских или пространственных векторов, рассмотренных ранее нами, в которых определены операции сложения векторов и умножения вектора на число, являются простейшими примерами векторных пространств, в частности = {Х; У;Z} – вектор в трехмерном пространстве. Очень часто при вычислениях, связанных с векторами отвлекаешься от геометрического смысла вектора и имеешь дело лишь с его координатами. По аналогии с описанной моделью множества векторов трехмерного пространства можно рассмотреть понятие n - мерного векторного пространства.

Определение: n – мерным вектором называется упорядоченная совокупность n действительных чисел, записываемых в виде = ( х1, х2, х3, ....., х n )

Понятие n – мерного вектора широко используется в экономике, например, некоторый набор товаров можно охарактеризовать вектором = (х1, х2, х3, ....., х n ), а соответствующие цены – вектором = ( у1, у2 3,....уn ).

Два n – мерных вектора равны тогда и только тогда, когда равны их соответствующие компоненты, т. е. = , если хii, i = 1,2,3.....,n.

Суммой двух векторов одинаковой размерности n называется вектор = + , компоненты которого равны сумме соответствующих компонент слагаемых векторов, т. е . zi = хi + уi i = 1,2,3....., n.

Произведением вектора на действительное число называется вектор = , компонентыui которого равны произведению  на соответствующие компоненты вектора , т. е.ui =  х i , i = 1, 2, 3....., n.

Линейные операции над любыми векторами удовлетворяют следующими свойствами:

  1. + = + - коммутативное (переместительное) свойство суммы.

  2. (+ ) + = + ( + ) – ассоциативное (сочетательное) свойство суммы.

  3. (  ) = (  ) - ассоциативное относительно числового множителя свойство.

  4. ( +  ) = + – дистрибутивное (распределительное) относительно суммы числовых множителей свойство.

  5. (+ ) =  + – дистрибутивное относительно суммы векторов свойство.

  6. Существует нулевой вектор =(0 , 0,.....0) такой, что + = для любого вектора(особая роль нулевого вектора ).

  7. Для любого вектора существует противоположный вектор (-) такой, что+( -) = .

  8. 1 =для любого вектора(особая роль числового множителя 1).

Определение: Множество векторов с действительными компонентами, в котором определены операции сложения векторов и умножения вектора на число, удовлетворяющее приведенным выше восьми свойствам (рассматриваемым как аксиомы), называется векторным пространством.

По аналогии с линейно зависимыми и линейно независимыми строками матрицы вводится понятие линейной независимости векторов.

Определение: Вектор m называется линейно комбинацией векторов 1, 2, 3,.... m векторного пространства R, если он равен сумме произведений этих векторов на произвольные действительные числа: m = 1 1+ 2 2+ 3 3+....+  m-1 m-1 , где 1 , 2 , ...  m-1- произвольные действительные числа.

Определение: Векторы 1, 2, 3,.... m векторного пространства R называются линейно зависимыми, если существуют такие числа 1 , 2 , ..... m , не равные одновременно нулю, что

1 1 + 22+ ... +. mm= .

В противном случае векторы 1, 2, 3,.... m называются линейно независимыми.

Если векторы 1, 2, 3,.... m линейно зависимы, то, по крайней мере, один из них линейно выражается через остальные. Верно и обратное утверждение о том, что если один из векторов выражается линейно через остальные, то все эти векторы в совокупности линейно зависимы.

Примером линейно независимых векторов являются два неколлинеарных вектора 1 и 2 на плоскости. Действительно, условие 1 1+ 2 2 = 0 будет выполняться лишь в случае, когда

1= 2 = 0, ибо если, например 2  0, то 2 = – 1 и векторы 1 и 2 коллинеарны. Однако любые три вектора плоскости линейно зависимы.

Свойства векторов линейного пространства:

  1. Если среди векторов 1, 2, 3,.... m имеется нулевой, то эти векторы линейно зависимы.

  2. Если часть векторов 1, 2, 3,.... m являются линейно зависимыми, то и все эти векторы – линейно зависимые.

Действительно, если, например, векторы 1, 2, 3,.... m линейно зависимы, то справедливо равенство 2 2 +  mm= , в котором не все числа 2....  m и 1= 0 будет справедливо равенство 1 1 + 2 2+ ... +. mm= .

Пример: Выяснить, являются ли векторы 1 =(1, 3, 1, 3), 2 = (2, 1, 1, 2 ), 3 = ( 3, - 1, 1, 1 ) линейно зависимыми.

Решение. Составим векторное равенство 1 1 + 2 2+3 3 = или

1 + 2 + 3 = .

Задача свелась, таким образом, к решению системы:

Решая систему методом Гаусса, приведем ее к виду:

откуда найдем бесконечное множество ее решений (1 = с, 2 = -2с, 3 = с), где с - произвольное действительное число.

Итак, для данных векторов условие 1 1 + 22+ ... +. mm= выполняется не толдько при 1 = 2 = 3 =0 (а, например, при 1=1, 2 = -2, 3 =1 (с =1); при 1 =2, 2 =-4, 3 =2 (с =2) и т.д.), следовательно, эти векторы – линейно зависимые.

Линейное пространство R называется n- мерным, если в нем существует n линейно независимым вектором, а любые из (n + 1) векторов уже являются зависимыми. Другими словами, размерность пространства - это максимальное число содержащихся в нем линейно независимых векторов. Число n называется размерностью пространства R и обозначает dim(R) .

Совокупность n линейно независимых векторов n- мерного пространства R называется базисом.

Теорема: Каждый вектор х линейного пространства R можно представить и притом единственным способом в виде линейной комбинации векторов базиса.

Доказательство:

Пусть векторы е1, е2 ,..., еn образуют произвольный базис n- мерного пространства R . Так как любые из

(n + 1) векторов n- мерного пространства R зависимы , то будут зависимы , в частности , векторы е1 , е2,..., еn и рассматриваемый вектор х. Тогда существуют такие не равные одновременно нулю числа 1, 2 ,n ,  , что

1 е1 + 2 е2 +...+  n е n + х =0

При этом   0, ибо в противном случае , если  = 0 и хотя бы одно из чисел 1, 2 ,..., n было бы

отлично от нуля, то векторы е1 , е2 ,..., еn были бы линейно зависимы. Следовательно,

= - е1 - е2 - ... - е n или = х1 е1 + х2 е2 +...+х n е n где х i = - (i = 1, 2, ...., n) (*)

Это выражение через е1, е2,..., е n единственное, так как если допустить какое – либо другое выражение, например, = у1 е1 + у2 е2 +...+у n е n , то, вычитая из него почленно (  ), получим

( у1 – х 1) е1 + (у2 – х 2) е2 + ...+n – х n) е n = 0 , откуда из условия линейной независимости векторов е1 , е2,..., е n следует, что у1 – х 1= у2 – х 2= ...= у n – х n = 0 или у1 = х 1, у2 = х 2 ... у n = х n у n = х n . 

Равенство (  ) называется разложением вектора по базису е1 , е2,..., е n, а числа х 1, х 2 ... х n – координаты вектора относительно этого базиса. В силу единственности этого разложения каждый вектор однозначно может быть определен координатами в некотором базисе.

Важное значение имеет следующая теорема, которую мы приведем без доказательства:

Теорема. Если е1 , е2,..., е nсистема линейно независимых векторов пространства R и любой вектор а линейно выражается через е1 , е2,..., е n ,то пространство R является n- мерным , а векторы е1 , е2,..., е n – его базисом.

Пример. В базисе е1, е2 , е3 заданы векторы а1 = (1; 1; 0), а2 = (1; -1; 1) и а3 = (-3; 5;-6) . Показать, что векторы а1 ,а2 , а3 образуют базис.

Решение. Векторы а1 , а2 , а3 образуют базис, если они линейно независимы. Составим векторное равенство: 1 а1+ 2 а2 +  3 а 3 = 0. Решая его аналогично примеру 1 можно убедиться в единственном нулевом решении: 1 + 2 +  3 = 0 , т.е. векторы а1 , а2 , а3 образуют систему линейно независимых векторов и, следовательно, составляют базис.