Тема 4. Векторы.

Арифметическим вектором называют упорядоченную совокупность из чисел: и обозначают . Числа называют компонентами вектора , число компонент называют его размерностью.

Векторы и называют равными, если они одинаковой размерности и их соответствующие компоненты равны: , .

Суммой векторов и одной размерности, называют вектор той же размерности, для которого: , .

Произведением вектора на число называют вектор той же размерности, для которого: , .

Множество всех -мерных векторов, в котором введены операции сложения и умножения на число, удовлетворяющие определённым требованиям (аксиомам) называют векторным пространством и обозначают .

Скалярным произведением двух арифметических векторов и называют число:

.

Два вектора и называют ортогональными, если .

Вектором (геометрическим) называется направленный отрезок, задаваемый упорядоченной парой точек (началом и концом вектора). Обозначают вектор или . Расстояние между началом и концом вектора называется его длиной и обозначается или . Углом между векторами и называется угол , , на который следует повернуть один из векторов, чтобы его направление совпало с направлением другого вектора, при условии, что их начала совпадают. Проекцией вектора на вектор называется число .

Векторы называются коллинеарными, если они расположены на одной прямой или на параллельных прямых. Векторы называются компланарными, если они расположены в одной плоскости или в параллельных плоскостях.

Векторы и называются равными и пишут , если они коллинеарны, одинаково направлены и имеют равные длины. Векторы и называются противоположными и пишут , если они коллинеарны, направлены в разные стороны и имеют равные длины.

Суммой векторов и называется вектор , соединяющий начало вектора и конец вектора , при условии, что конец вектора совпадает с началом вектора (правило треугольника). Произведением вектора на действительное число называется вектор :

1) коллинеарный вектору ; 2) имеющий длину ; 3) направленный одинаково с вектором , если , и противоположно, если .

Ортом вектора , называется вектор , имеющий единичную длину и направление вектора : .

Базисом в пространстве называется упорядоченная тройка некомпланарных векторов, базисом на плоскости – упорядоченная пара неколлинеарных векторов, базисом на прямой – любой ненулевой вектор на этой прямой. Базис, в котором все векторы попарно перпендикулярны и имеют единичную длину, называется ортонормированным. Векторы ортонормированного базиса обозначаются: и , и называются базисными ортами. Различают правый и левый ортонормированные базисы. Базис -называется правым, если кратчайший поворот от к совершается против хода часовой стрелки, в противном случае он – левый. Базис -называется правым, если из конца вектора кратчайший поворот от вектора к виден совершающимся против хода часовой стрелки, в противном случае он – левый.

Условием коллинеарности векторов и является равенство: , где - некоторое число. Условием компланарности векторов , и является равенство: , где - некоторые числа.

Всякий геометрический вектор может быть разложен единственным образом по векторам базиса, коэффициенты разложения называются при этом координатами вектора в данном базисе. Например, если - базис и , то всегда существует единственное разложение: , где числа - координаты вектора в базисе , при этом пишут . Если в зафиксирован ортонормированный базис и , то равносильны записи: и (в записи вектора в координатной форме ортонормированный базис не указывают).

Представление геометрических векторов в координатной форме, позволяет выполнять действия над ними, как над арифметическими векторами:

;

.

Декартовой прямоугольной системой координат в пространстве называется совокупность точки (начало координат) и правого ортонормированного базиса и обозначается . Прямые , , , проходящие через начало координат в направлении базисных векторов, называются координатными осями: первая – осью абсцисс, вторая – осью ординат, третья – осью аппликат. Плоскости, проходящие через оси координат, называются координатными плоскостями. Аналогично вводится система координат на плоскости: .

Пусть - произвольная точка пространства, в котором введена система координат = . Радиус-вектором точки называется вектор , который всегда единственным образом можно представить в виде: . Числа , являющиеся координатами радиус-вектора, совпадают с проекциями вектора на базисные орты и (на координатные оси и ). Координатами точки в системе координат называются координаты её радиус-вектора и пишут . В свою очередь, координаты точки полностью определяют её радиус-вектор . Всякий геометрический вектор в системе координат , всегда можно представить как радиус-вектор некоторой точки и записать в виде: .

Длина вектора , заданного координатами , определяется формулой: . Направляющими косинусами вектора называются числа: , , , при этом .

Координаты вектора , заданного точками и определяются по формуле: . Расстояние между точками и определяется как длина вектора и находится по формуле:

.

Координаты точки делящей отрезок пополам находятся по формулам: , , .

Скалярным произведением векторов и называется число . Скалярное произведение обладает свойствами:

1) ; 2) где - число;

3) ; 4)

5) ; 6) , , , , , . Для векторов и , заданных своими координатами , скалярное произведение вычисляется по формуле:

.

Скалярное произведение применяют: 1) для вычисления угла между векторами и по формуле: ; 2) для вычисления проекции вектора на вектор по формуле: ; 3) в качестве условия перпендикулярности векторов и : .

Векторным произведением векторов и называется вектор , определяемый условиями: 1) ;

2) и ; 3) - правая тройка векторов.

Упорядоченная тройка некомпланарных векторов называется правой тройкой, если из конца третьего вектора , кратчайший поворот от первого вектора ко второму , виден совершающимся против хода часовой стрелки. В противном случае, тройка называется левой.

Векторное произведение обладает свойствами:

1) ; 2) , где - число;

3) ; 4) 5) ;

6) , , , , , .

Для векторов и , заданных координатами , векторное произведение вычисляется по формуле:

.

Векторное произведение применяют: 1) для вычисления площадей треугольника и параллелограмма, построенных на векторах и , как на сторонах, по формуле: ; 2) в качестве условия параллельности векторов и : .

Смешанным произведением упорядоченной тройки векторов , и называется число .

Смешанное произведение обладает свойствами:

1) ; 2) ;

3) ; 4) и -компланарны ;

5) , где -объём параллелепипеда, построенного на векторах , и .

Для векторов , и , заданных координатами , , смешанное произведение вычисляется по формуле: .

Смешанное произведение применяют: 1) для вычисления объёмов тетраэдра и параллелепипеда, построенных на векторах , и , как на рёбрах, по формуле: ; 2) в качестве условия компланарности векторов , и : и - компланарны.