Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
geometria.doc
Скачиваний:
70
Добавлен:
17.09.2019
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

1.Лінійні операції над векторами та їх властивості. Скалярний добуток векторів його властивості та застосування.

Сумою двох векторів = і = наз. вектор = , який є діагоналлю паралелограма, побудов. на векторах і (рис.1).

+ = + = = . Так як = , то + = .

П равило додавання векторів, яке визначається цією формулою, називається правилом трикутника.

Властивості додавання:

1 . Для будь-яких векторів , і : +( + )=( + )+ (асоціатив. закон додавання).

Доведення: (рис.2).

+( + )= +( + )= + = ,

( + )+ =( + )+ = + = .

2. Для будь-яких векторів і : + = + ( комутатив. закон додавання ).

Доведення: + = + = (рис.1), + = + = .

3. Існує вектор , такий, що для будь-якого : + = .

Доведення: Нехай = , тоді за правилом трикутника = , так як + = + = = .

4. Існує вектор ′, такий, що для будь-якого вектора : + ′ = .

Доведення: Нехай = ; тоді + = = , отже, ′= (це вектор протилежний до ).

Різницею двох векторів  –  наз. такий вектор , що + = .

Р ізниця будь-яких векторів і завжди існує і визначається однозначно, так як – = +(– ). Вектор – існує і визначається однозначно, сума двох векторів і (– ) існує і визначається однозначно. Отже, щоб від вектора відняти вектор потрібно до вектора додати вектор – (рис.3).

– = – = + = + = = .Маємо: – = (рис.3).

Добутком вектора на дійсне число λ називається такий вектор , для якого виконуються умови: 1. | |=| λ | | |– довжина вектора ; 2. ↑↑ – коли λ >0; 3. ↑↓ – коли λ <0;

Властивості: Для будь-яких дійсних чисел α і β та векторів , мають місце рівності: 1. 1· = ; (–1)· = –  ;

2. α·( + ) = α· +α· ;

3. (α+β)·  =  α· +β· ;

4. α·(β· ) = (α·β)· .

Доведення:

1. Властивість випливає з означення добутку вектора на число.

2 .α·( + )=α·( + )=α· = (рис.4).

α· +α· =α· +α· = + = (рис.4).

Отже, ми отрим. гомотетію з центром в т.О та коефіцієнтом α. При гомотетії паралелограм ACBO перейшов у паралелограм A C B O , діагональ OC перейшла в OC .

3. Справедливість третьої властив. випливає з того, що вектори α і β колінеарні. Їх додавання фактично зводиться до додавання чисел α·  і β·  та побудови вектора отриманої довжини, який колінеарний вектору .

4. Очевидно, що вектори α(β і (αβ) співнаправлені, так як в обох випадках добуток чисел α і β має однаковий знак. Покаж., що і модулі їх рівні. Дійсно, за означенням добутку вектора на число отримаємо:

│α·(β· )│=│α│∙│(β· )│=│α│∙│β│∙│ │.

│(α·β)· │=│(α·β)│∙│ │=│α│∙│β│∙│ │.

Відклад. ненульові вектори і від точки О: = , = (рис.7). Кут АОВ називається кутом між векторами і і позначається ( ˆ ) = α. Кут між векторами вибирається меншим або рівним  .

Для розв’яз. метричних задач використав. Ортонормов. базис ,  ,  , де і всі кути між цими векторами рівні 900

Скалярним добутком двох ненульових векторів і наз. число яке = модулів цих векторів на косинус кута між ними (познач. ∙ = | |∙| |∙cosα).

Скалярний добуток нуль-вектора і довільн. вектора покладається рівним нулю.

З означ. скалярного добутку отримаємо формулу для знаходження косинуса кута між векторами: cos ( ˆ ) = (4)

Теор8 Скалярний добуток векторів =(а1,а2 ,а3 ), =(b1,b2 ,b3 ), заданих в ортонормов. базисі пр-ру, виражається формулою: ∙ =а1b1+а2b2+а3b3 (5)

Доведення: Запишемо розклади даних векторів по базису:

= а1  + а2  + а3  і = b1 + b2 + b3 .

Тоді ∙ = (а1 + а2 + а3 )∙(b1 + b2 + b3 )=

= а1 b1 ( ∙ )+ а1 b2 ( ∙ )+ а1 b3 ( ∙ )+ а2 b1 ( ∙ )+ а2 b2 ( ∙ )+

+ а2 b3 ( ∙ )+ а3 b1 ( ∙ )+ а3 b2( ∙ )+ а3 b3 ( ∙ ). А так як скалярні добутки ∙ = ∙ = ∙ =1, а ∙ = ∙ = ∙ =0 , то отримаємо, що ∙ = а1b1+а2 b2+а3 b3.

Наслід9. Вектори =(а1, а2 , а3 ); =(b1, b2 , b3 ) задані в ортонормов. базисі простору, взаємно перпендикулярні ↔, коли а1 b1+а2 b2+а3 b3 = 0.

Розгул. скалярний добуток вектора на себе:  = | |2 . наз. скалярним квадратом вектора і познач. 2. Звідси отрим. ф-лу для обчислення модуля вектора за його координат.: | | =  =

Наслід10. Косинус кута α між ненульовими векторами =(а1, а2, а3) і =(b1, b2, b3), заданими в ортонормованому базисі, визначається формулою: cos α =  .

Властивості скалярного добутку:

  1. ∙ =  ∙ (комутативність).

  2. (α  )· =α ( · ) (скаляр. множник можна винос. за знак скаляр. добутку).

  3. ( + )· = · + · (дистрибутивність).

Доведення.

    1. Властивість випливає з означення скалярного добутку.

    2. Нехай в ортонормов. базисі вектори і мають координати = (а1, а2, а3), = (b1, b2, b3). Тоді за наслід8 вектор α·  = (α а1, α а2, α а3) і за теор8

(α  )· = α а1b1+α а2 b2+α а3 b3 = α (а1b1+а2 b2+а3 b3 ) = α ( · ).

    1. Нехай в ортонормованому базисі вектори , і мають координати: = (а1, а2, а3), = (b1, b2, b3),  =(c1, c2, c3 ). За наслід6 вектор +  = (а1 +b1 , а2 +b2 , а3 +b3 ) і ( + ) · = (а1 +b1 ) c1 +(а2 +b2 ) c2 +(а3 +b3 ) c3  =

= (а1 c1 +а2 c2 +а3 c3 ) + (b1 c1 +b2 c2 +b3 c3 ) = ·

2. Векторний та мішаний добутки векторів, їх властивості та застосування.

Векторним добутком двох векторів та наз. вектор , для якого виконуються умови: 1. | | дорівнює площі паралелограма побудованого на векторах і . (| |=| || | sin( ˆ ) ). 2. перпендикулярний як з так і з . 3. Якщо та не колінеарні, то вектор має такий напрямок, що впорядкована трійка векторів , , має праву орієнтацію (рис. 16).

Векторний добуток позначають =[ , ] або = × .

З означ. слідує: якщо вектори колінеарні, то їх векторний добуток рівний нулю.

Теор10. Для того, щоб вектори були колінеарними необхідно і досить, щоб їх векторний добуток дорівнював нулю.

Властивості:

1. [ , ]= - [ , ] (антикомутативність).

2. α [ , ]=[α  , ]=[ ,α  ] (винесення скалярного множника).

3. [ , + ]=[ , ]+[ , ], [ + , ]=[ , ]+[ , ] (дистрибутивність).

Доведемо перші дві властивості.

1. Якщо вектори і колінеарні, то [ , ] = [ , ] =0 і властив. доведена. Нехай та неколінеарні. Тоді вектори [ , ] і [ , ] мають однакові модулі, але протилежно направлені, оскільки трійки векторів , ,[ , ]  і , [ , ] мають протилежну орієнтацію. Це означає, що [ , ]= -[ , ].

2. Доведемо першу рівність. Якщо α=0, то рівність очевидна. Нехай α  0. Тоді |[α  , ]| = |α || | sin(α ˆ ) = α | || | sin( ˆ ) = =|α[ , ]|. Оскільки α  0, то очевидно, що вектори α[ , ] і [α  , ] співнаправлені. Якщо α  0, то як і раніше можна показати, що |[α  , ]|=|α[ , ]|. А напрямок вектора [α  , ] протилежний до напрямку [ , ], але такий же як вектора α[ , ]. Отже, α[ , ]=[α  , ]. Аналогічно доводиться друга рівність.

Теор11. Якщо вектори та в с-мі коор. (O,  , , ) мають відповідно координати =(a1,a2,a3), =(b1,b2,b3), то їх векторний добуток знаходиться за формулою:[ , ]= (21)

Доведення. Запиш. розклади даних векторів по базису: = a1  +a2 +a3 , =b1  +b2 +b3 . Тоді, користуючись властивостями, отримаємо:

[ , ]=a1  +a2 +a3 , b1  +b2 +b3 =

= a1b2  ,+a1b3, +a2b1, +a2b3, +a3b1, +a3b2, . Так як  ,= ,  ,  = ,,  =  , то отримаємо [ , ]=(a2b3 - -a3b2) +(a3b1 - a1b3) +(a1b2 - a2b1 ) = + + .

Мішаним добутком векторів , і (позначається ( , , )) наз. скалярний добуток вектора на векторний добуток векторів та :

[ , ]=( , , )=[ , ] .

Т еор12 (Геометричний зміст мішаного добутку).

Якщо вектори , , не компланарні, то модуль мішаного добутку |( , , )| дорівнює об’єму паралелепіпеда побудованого на векторах , , (рис.17).

Доведення:

Розглянемо векторний добуток [ , ]. Позначимо одиничний вектор, співнаправлений з [ , ], а φ – кут між ним і вектором . Враховуючи, що [ , ]=|[ , ]| ∙ = SOBDC  , отримаємо: ( , , ) = ∙[ , ] = ∙ SOBDC  = SOBDC  ∙ = SOBDC | || | cosφ == SOBDC (+/- h) = +/- V (оскільки вектори і можуть утворювати як гострий кут (рис.17) так і тупий (вектор направлений вниз), то cosφ може бути як додатній, так і від’ємний). Отже V=|( , , )|. Теорему доведено.

Теор13. Якщо вектори , та мають координати =(a1,a2,a3), =(b1,b2,b3), =(с1,с2,с3) то мішаний добуток цих векторів дорівнює визначнику 3-го порядку, складному з їх координат: ( , , )=

Доведення: Знайдемо векторний добуток векторів і . Згідно формули (21): ∙[ , ] = . Тоді

( , , ) = [ , ]= а1  +а2  + а3 = .

Мішаний добуток векторів рівний визначнику третього порядку, а значить має такі ж властивості, як і визначники.

Властивості:

1. Якщо три вектори компланарні то мішаний добуток дорівнює нулю.

2. Мішаний добуток додатній, якщо впорядкована трійка векторів , , має додатну орієнтацію і навпаки.

3. При перестановці місцями двох векторів у мішаному добутку, знак визначника змінюється на протилежний, а його абсолютна величина не змінюється: .

4. Число можна виносити за знак мішаного добутку:

α ( , , )=(α , , )=( ,α , )=( , ,α ).

5. Якщо один з векторів являється сумою інших, то:

( + , , )=( , , )+( , , ).

3. 4.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]