§5. Вектори

5.1. Основні поняття

Вектор – це направлений відрізок, тобто відрізок, який має певну довжину і певний напрямок. Якщо А – початок вектора, а В – його кінець, то вектор позначають . Часто вектор позначають однією буквою. Векторназиваютьпротилежним до вектора . Вектор протилежний до векторапозначають.

Довжиною або модулем вектора називається довжина відрізка, на якому побудований вектор, і позначаєтьсяабо.

Вектор, довжина якого рівна нулю, називається нульовим і позначається . Нульовий вектор напрямку не має.

Вектор, довжина якого рівна одиниці, називається одиничним і позначається . Одиничний вектор, напрямок якого співпадає з напрямком вектора, називаєтьсяортом вектора і позначається.

Вектори іназиваютьсяколінеарними, якщо вони лежать на одній прямій або на паралельних прямих. Позначають . Колінеарні вектори можуть бути направлені однаково або протилежно. Нульовий вектор вважають колінеарним будь-якому вектору.

За кут між векторами іприймають кут, величина якого не перевищуєі позначають(рис. 5.1):

Два вектори називаються ортогональними, якщо кут між ними рівний .

Вектори іназиваютьсярівними, якщо вони колінеарні, однаково направлені і їх довжини рівні. Позначають .

З означення рівності векторів випливає, що вектор можна переносити паралельно самому собі, а початок вектора розміщувати в будь-якій точці простору.

Всі рівні вектори називаються вільним вектором.

Три вектори в просторі називаються компланарними, якщо вони лежать в одній площині або в паралельних площинах. Якщо серед трьох векторів хоча б один нульовий або два колінеарні, то такі вектори компланарні.

5.2. Лінійні операції над векторами

Лінійними операціями над векторами називають додавання і множення векторів на число.

Нехай і– два довільні вектори (рис. 5.2). Тоді векторназиваєтьсясумою векторів іта позначається. Це правило додавання векторів називаютьправилом трикутника.

Суму двох векторів можна знайти і за правилом паралелограма (рис. 5.3).

Під сумою трьох векторів розуміють вектор, отриманий послідовним додаванням даних векторів: .

Аналогічно визначається сума п векторів.

Різницею векторівіназивається вектор, рівний сумі векторіві:.

Відмітимо, що в паралелограмі, побудованому на векторах і, одна направлена діагональ є їх сумою, а інша – різницею (рис. 5.4).

Добутком вектора на число називається вектор або , довжина якого рівна , має напрямок вектора , якщо і протилежно направлений, якщо.

З означення добутку вектора на число випливають властивості цього добутку:

1) якщо , тоі навпаки, якщо, то при деякому вірна рівність ;

2) , тобто кожний вектор рівний добутку його модуля на орт.

Властивості лінійних операцій над векторами:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. .

Ці властивості дозволяють проводити перетворення в лінійних операціях над векторами так, як це робиться в алгебрі: доданки міняти місцями, вводити дужки, групувати, виносити за дужки як скалярні, так і векторні множники.

5.3. Розклад вектора за базисом

Нехай дано вектори .

Вектор

,

де – числа,

називається лінійною комбінацією векторів , а числа –коефіцієнтами цієї комбінації.

Якщо вектор представлений у вигляді лінійної комбінації векторів , тобто , то кажуть, щовектор розкладений за векторами.

Базисом на площині назвемо два ненульових, неколінеарних вектори цієї площини, взятих в певному порядку.

Нехай на площині заданий базис . Доведемо, що будь-який вектор цієї площини можна єдиним чином розкласти за базисними векторами .

Розглянемо можливі випадки:

1) Вектор колінеарний одному з базисних векторів, наприклад, . Тоді за властивостями добутку вектора на число існує таке число, щоабоі такий розклад єдиний.

2) Вектор не колінеарний ні одному з базисних векторів. Зобразимо три вектори ,,(рис. 5.5). Очевидно, щоєдиним чином можна представити у вигляді, деіколінеарні відповідно векторам, а отже існують такі числаі, що,і

. (5.1)

Коефіцієнти ірозкладу (5.1) називаютьсякоординатами вектора в базисі і записують (,).

Таким чином, кожному вектору на площині в заданому базисі відповідає єдина пара чисел, взятих в певному порядку, і навпаки, кожній парі чисел, взятих в певному порядку, відповідає в заданому базисі єдиний вектор на площині.

Базисом в просторі назвемо три некомпланарних вектори, взятих в певному порядку.

Нехай в просторі заданий базис . Доведемо, що будь-який векторможна єдиним чином розкласти за базисними векторами.

Розглянемо можливі випадки:

1) Вектор і два базисних вектори, наприклад, компланарні. Як показано вище,або.

2) Вектор не компланарний з жодними двома з базисних векторів. Зобразимо вектори ,,,(рис. 5.6). Очевидно, щоєдиним чином можна представити у вигляді, деколінеарний, акомпланарний з векторами. Тоді існують такі числа,,, що векторєдиним чином можна представити у вигляді, а. Отже

. (5.2)

Коефіцієнти ,,розкладу (5.2) називаютьсякоординатами вектора в базисі і записують (,,).

Таким чином, кожному вектору простору в заданому базисі відповідає єдина трійка чисел, взятих в певному порядку, і навпаки, кожній трійці чисел, взятих в певному порядку, відповідає в заданому базисі єдиний вектор.

Відмітимо, що всі координати нульового вектора рівні нулю. Якщо вектор , то.

Базис називається ортонормованим, якщо базисні вектори одиничні і попарно ортогональні.