Элементы векторной алгебры

Автор: Пользователь скрыл имя, 13 Мая 2013 в 21:46, лекция

Краткое описание

Для того чтобы задать вектор, достаточно знать:
1) длину и направление
или
2)координаты точки начала и конца
Определение равенства векторов:

Файлы: 1 файл

векторная алгебра.docx

— 150.56 Кб (Скачать)

  ® (формула для вычисления угла между векторами)

Пример 1.

Дано:  ∆АВС; A(2;-1;6); B(0;-4;5); C(9;-8;6).

Найти : угол при вершине В.

Решение:



 


 

® ={0-2; -4-(-1); 5-6}®

={-2;-3;-1};||||=

={9-0;-8-(-4);6-5}®={9;-4;1};  ||||==7.

=-2*9+(-3)*(-4)+(-1)*1=-7

||||||||==-;            B=arcos(≈100089/.


Пример 2.

Дано: ||||||||

Найти:  Пр(

Решение:

Пусть ® ®


В дальнейшем нам понадобится скалярное  произведение:

||||*||||*=4*3*(-0,5)=-6.

 

Пр=||||

=-9||||2-16||||2+26=-9*16-16*9+26*(-6)=-444

|||| ®==||||2-4||||2=16+24+36=76®||||

Пр=||||=≈-50,93

 

Ответ : ≈-50,93

 

 

§4.Векторное произведение.

Определение правой (левой) тройки.

Рассмотрим три  некомпланарных вектора, исходящих  из одной точки:   Если смотреть из конца вектора и поворот от первого вектора ко второму вектору против часовой стрелки будет выполняться по наименьшему углу,  то говорят, что эти вектора в данном порядке образуют правую тройку. В противном случае будем иметь левую тройку.









 

 

 

Определение векторного произведения.


Векторным произведением  двух векторов называется вектор, который обозначают 


Пусть . Тогда по определению имеем:

  1)^^


2)три вектора    образуют правую тройку.


3)||||||||||||*


Длина векторного произведения численно равна площади параллелограмма, построенного на векторах


Заметим, если ^||||||||||||


 

 

 

Свойства  векторного произведения.


!!!

Если || В частности:

 

 

  1. Антикоммутативность.

 

2.l(ll

3.Дистрибутивность

 

 

Рассмотрим векторное  произведение для орт координатных осей и результат занесём в  таблицу.

 

 

 

×

     
     

-

 

-

   
   

-

 

 




 

 

 

Пусть вектора заданы своими координатами.

Если ;   , то

x1*y2*+x1*z2*(-)+y1*x2*(-+y1*z2*+z1*x2*+z1*y2*(-®

=(y1z2-z1y2)+(x1y2-y1x2)+(z1x2-x1z2)

Чтобы не запоминать эту формулу можно использовать символический определитель:

===

=(y1z2-z1y2)+(x1y2-y1x2)+(z1x2-x1z2)

 

Пример 1.

Дано: ∆АВС; A(2;-1;6); B(0;-4;5); C(9;-8;6).

Найти S ∆ABC(площадь треугольника)

Решение:



 

 

 


® ={9;-4;1};      ={-2;-3;-1}

S∆ABC=1/2||||           =

==7+7-35®

||||==21® S∆ABC=

Ответ: кв.ед.

Пример 2.

Дано: ;  2;  ||||||||=1500.

Найти  площадь  параллелограмма , построенного на векторах

Решение:

Длина векторного произведения численно равна площади параллелограмма, построенного на векторах


=×(2)=6(=12(

||||||||=12||||||||0=12*4*3*0,5=72.

Ответ:   72кв.ед.

Пример3.

Дано: ;  .

1)Построить ортонормированный  базис.

2) Разложить вектор  в этом базисе.

Решение:

1)^«® -2*+(-4)*2+1*(-3)=0« -2*=11« *=-5,5

-2;-4;1}; ||||

 -11;2;-3}; ||||

 


^ ^®


®

 

=10-17-48;  |||

(- ортогональный базис. Для нахождения ортонормированного базиса найдём соответствующие орты.

{-2;-4;1}=


={-11;2;-3}=

={10;-17;-48}=

 

2);  - разложение вектора в ортонормированном базисе.

В естественном базисе координаты данного вектора: 2;-5;0}

Для нахождения координат  вектора в ортонормированном  базисе используем формулы:

х=(-2*2+(-5)*(-4)+0)=

y= =(-11*2+2*(-5)+0)=-

z=(10*2+(-17)*(-5)+0)=

Ответ:

 

 

§5 Смешанное произведение.

Пусть дана тройка векторов ;.

Если сначала  найти векторное произведение , а затем полученный вектор скалярно умножить на третий вектор , то мы получим число, которое обозначают ( и называют смешанным произведением векторов

Определение: Смешанным  произведением векторов   называется число полученное по правилу:

(=(

Свойства смешанного произведения.

1.Смешанное произведение векторов  не изменится при циклической перестановке множителей.


(


 

  1. >0« - правая тройка
  2. <0« - левя тройка
  3. =0« -вектора компланарны.
  4. Смешанное произведение трёх некомпланарных векторов по модулю равно объёму Vпараллелепипеда, построенного на данных векторах, как на рёбрах:

||=V

 

;   ; x3+y3+z3.

=(y1z2-z1y2)+(x1y2-y1x2)+(z1x2-x1z2)

((y1z2-z1y2)x3 +(x1y2-y1x2)y3 +(z1x2-x1z2)z3=

 

Пример:

Дан тетраэдр, вершинами  которого являются точки А(1;-1;2); В(2;1;2);С(1;1;4); D(6;-3;8).

Найти объём тетраэдра  и длину высоты H, опущенной из вершины D на грань АВС.

Решение:






 

V(тетраэдра)=V(параллелелпипеда)

Найдём смешанное  произведение векторов:

={1;2;0};  ={0;2;2}; ={5;-2;6}®

(==12+20+4=36®V(параллелелпипеда)=36®

V(тетраэдра)=6куб.ед.

H=||||;  где площадь основания параллелепипеда равна:

||||

=    =4-2+2® ||||==2®


H==3

Ответ:V=6куб.ед; H=3

 

Лекция 2. (для тех, кто хочет знать  больше)

§6.Понятие об «n» мерном пространстве Rn.

П01 Определение:

Обозначим Rn множество, элементы которого (векторы), заданы в виде:

=(a1;a2;…;an)Т   aiÎR;  i=1;2;…;n

В эом множестве  введён нулевой элемент:

=(0;0;…;0)

В этом множестве  введены линейные операции.

1)Сложение:

Для любых векторов  =(a1;a2;…;an)Т и =(b1;b2;…;bn)T ;ÎRn однозначно определён вектор, называемый суммой векторов, по следующему правилу:

(a1+b1;a2+b2;…;an+bn)T

2)Умножение вектора на скаляр.

Для любого вектора   (ÎRn) и числа lÎR однозначно определён вектор, обозначаемый l, по правилу:

l=(la1;la2;…;lan)T

Свойства сложения.

  1. Свойство коммутативности.

Для любых векторов

2)Свойство ассоциативности:

Для любых векторов

3)Свойство нулевого вектора:

  для любого 

4)Существование противоположного  вектора:

для любого  существует противоположный вектор, который обозначают -: 

5)Свойство обратимости:

Для любых векторов существует вектор : .

Вектор  и обозначается:

(

Свойства умножения вектора  на скаляр.

1) l*(*l

2) l(ll

3) 1

4) -1

5) 0


Пространство  Rn в этом случае называют линейным пространством, а его элементы векторами.

 

П02. Линейно зависимые и независимые системы векторов.

Определение:

Система векторов     называется линейно зависимой, если найдутся числа: l1; l2;…;ln (не все равные нулю):

l1+l2+…+ln=l= (линейная комбинация векторов равна нулевому вектору при условии, что не все числа li  равны нулю).

Если l= тогда и только тогда, когда все числа li=0, i=1,2,…,n, то система векторов     называется линейно независимой.


Критерий линейной независимости.

;;…;

 

 

Рассмотрим  матрицу , составленную из координат  этих векторов:

 

A=

 

 

По определению  линейной независимости можно составить матричное уравнение:

Am×n*Ln×1=Om×1; где  L=lll- это однородная система, которая имеет единственное нулевое решение , если ранг матрицы А равен числу неизвестных, т.е. r(A)=n.

Система векторов ;;…;

линейно независима « r(A)=n

Замечание:

Если m=n, то однородная система имеет единственное нулевое решение по теореме Крамера, если det A≠0.

Пример 1.

Даны три вектора ÎR4.

Определить лнейную  зависимость или независимость  векторов.

=; =; =.

 

Составим матрицу  координат и определим её ранг, приведя её к ступенчатому виду.

А=~       ~


r(A)=2; n=3®r(A)≠n®система имеет ненулевые решения, т. е. система векторов линейно зависима

Пример 2.

Такой пример будет в тесте!

 

. Даны три вектора ÎR3 .

Определить лнейную  зависимость или независимость  векторов.

 

=;  =;  .

 

 определитель  матрицы координат:

 

=0+4+15-(0-20+1)=38≠0® система векторов линейно независима.

 

П04.Базис в пространстве Rn. Разложение вектора в этом базисе.

Определение:

Размерность линейного  векторного пространства обозначается

dim Rn. (Размерность равна «n», что определяет число координат в задании вектора).

Определение:


Система векторов называется базисом, если выполнены два условия: 1)вектора линейно независимы, 2) dim Rn=n

 

Предложение:

Любой вектор ÎRn однозначно может быть разложен в этом базисе, т.е. представляется линейной комбинацией базисных векторов:

 

Числа x1;x2;…;xn называют координатами вектора в этом базисе.

 

Для нахождения координат  вектора в заданном базисе необходимо решить систему:

 

 

Пример 3.

Используя результат  примера 2, разложить вектор в этом базисе.

=

 

  (проверьте  все координаты базисных векторов)

 

Составим расширенную матрицу  системы и приведём её к ступенчатому виду.


=~~


 

r(=r(A)=3;  n=3®система имеет единственное решение.

Восстановим систему  по ступенчатой матрице.

«

:  

=1*-2*

 

 

 

П04. Скалярное произведение в пространстве Rn.

Определение:

Скалярным произведением векторов =(a1;a2;…;an)Т и =(b1;b2;…;bn)T ;ÎRn называется число, полученное по формуле:

(=a1*b1+a2*b2+…+anbn

Свойства скалярного произведения.

    1. (
    2. (ll
    3. (

Длина вектора  определяется по формуле:

||||=

Замечание.

Линейное пространство называется евклидовым, если введено  скалярное произведение. Таким образом, пространство Rn является евклидовым «n» мерным векторным пространством.

Неравенство Коши-Буняковского.

Модуль скалярного произведения двух векторов  не превышает  произведения их длин.

|(|||||||||

Следствие:

||||||||||≤ 1

   |||||||| =®

Ещё одна формула  для вычисления скалярного произведения, которой мы уже раньше пользовались:

(||||||||

 

Определение:

Будем говорить, что  два вектора  и ортогональны, и записывать ^ тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю.

Информация о работе Элементы векторной алгебры