OSNOVE VEKTORSKEGA RAˇCUNA e
Transcription
OSNOVE VEKTORSKEGA RAˇCUNA e
µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA µ OSNOVE VEKTORSKEGA RACUNA e-gradivo izr. prof. dr. Petra Šparl Kranj 2013/14 MOTIVACIJA IN DEFINICIJA µ RA CUNSKE OPERACIJE Motivacija Pri obravnavi doloµcenih koliµcin nas zanima le velikost, medtem ko nas pri drugih, poleg velikosti, zanima tudi smer. Na primer, µce nas zanima kako se nek predmet giblje v prostoru, je smiselno, da vemo kako hitro se giblje in v katero smer. Torej moramo za hitrost poznati velikost in smer. Koliµcine, ki imajo velikost in smer, imenujemo vektorji. Koliµcine, ki imajo le velikost pa imenujemo skalarji oziroma števila. Primeri geometrijskih vektorjev v praksi so: pot, hitrost, pospešek, sila. Primeri skalarjev pa: masa, temperatura, µcas, delo, energija, višina. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA De…nicija Vektor v prostoru je doloµcen z urejenim parom toµck (A; B). Ponazorimo ga z usmerjeno daljico, ki poteka od toµcke A do toµcke B (in ne obratno) ! ! in ga oznaµcimo z AB: Toµcko A imenujemo zaµcetna toµcka vektorja AB; toµcko B pa konµcna toµcka. Vektorji so koliµcine, ki vsebujejo naslednje podatke: dolµzino (ali velikost), smer in usmerjenost. ! ! Dolµzina vektorja AB je enaka dolµzini daljice AB in jo oznaµcimo z AB : ! Smer vektorja AB doloµca premica, ki poteka skozi toµcki A in B: Usmerjenost vektorja je doloµcena z izborom zaµcetne in konµcne toµcke. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Oznake vektorjev µ poznamo dolµzino, smer in usmerjenost vektorja, je le-ta Opomba. Ce enoliµcno doloµcen. Vektorje, namesto z zaµcetno in s konµcno toµcko, veµckrat oznaµcujemo z malimi µcrkami, ki jim zgoraj dodamo pušµcico: ~a; ~b; ~c; ~v . Oznake vektorjev. MOTIVACIJA IN DEFINICIJA µ RA CUNSKE OPERACIJE Posebni vektorji Vektorja ~a in ~b sta enaka, µce sta vzporedna, enako dolga in kaµzeta v isto smer. Zato ima vsak vektor 1 predstavnikov v prostoru. Niµcelni vektor je vektor, katerega zaµcetna in konµcna toµcka sovpadata, ! oznaµcimo ga z ~0 = T T : ! ! ! Nasprotni vektor k vektorju AB je vektor BA, ki je z vektorjem AB vzporeden, enako dolg in nasprotno usmerjen. Enotski vektor ~e je vektor z dolµzino 1 (j~ej = 1). Slika: (a) enaki vektorji ~a; ~b in ~c; (b) nasprotna vektorja. MOTIVACIJA IN DEFINICIJA µ RA CUNSKE OPERACIJE Raµcunske operacije med vektorji V praksi veµckrat µzelimo z vektorji raµcunati. Videli bomo, da lahko: vektorje seštevamo in odštevamo, vektor pomnoµzimo s skalarjem (številom), mnoµzimo vektorje med seboj. Opomba. Obstajajo razliµcni produkti med vektorji (skalarni, vektorski in mešani). V tem gradivu bomo obravnavali le skalarnega. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Vsota vektorjev Vsota vektorjev ~a in ~b je vektor ~a + ~b: Geometrijsko ga ponazorimo na enega od naslednjih dveh naµcinov: 1. Zaµcetno toµcko vektorja ~b vzporedno premaknemo v konµcno toµcko vektorja ~a: Vsota ~a + ~b je vektor od zaµcetne toµcke vektorja ~a do konµcne toµcke vektorja ~b (slika (a)). Pravilo imenujemo trikotniško pravilo. 2. Vektorja ~a in ~b vzporedno premaknemo tako, da njuni zaµcetni toµcki sovpadata ter ju dopolnimo do paralelograma. Vsota ~a + ~b je vektor od zaµcetne toµcke vektorjev ~a in ~b do nasprotnega oglišµca paralelograma (slika (b)). Pravilo imenujemo paralelogramsko pravilo. Slika: (a) trikotniško pravilo, (b) paralelogramsko pravilo. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Zgled Na toµckasto telo delujejo sile F~1 ; F~2 in F~3 ; kot prikazuje spodnja slika (a). Slika: Rezultanta treh nevzporednih sil. Doloµcimo njihovo rezultanto F~ : Rešitev: Rezultanta sil je vsota vektorjev F~1 ; F~2 in F~3 ; ki je prikazana na sliki (b), kjer je dvakrat uporabljeno trikotniško pravilo. Slika (c) prikazuje rezultanto F~ ; katere delovanje na dano toµckasto telo ima enak uµcinek kot vse tri sile v primeru (a). µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Lastnosti vsote Za poljubne vektorje ~a; ~b in ~c velja: ~a + ~b = ~b + ~a (~a + ~b) + ~c = ~a + (~b + ~c) ~a + ~0 = ~0 + ~a = ~a ~a + ( ~a) = ( ~a) + ~a = ~0 (komutativnost), (asociativnost), (~0 je nevtralni element za seštevanje), (vsota nasprotnih vektorjev je enaka ~0). Prikaz komutativnosti prikazuje spodnja slika. Slika: Komutativnost vsote (~a + ~b = ~b + ~a): Levo je vsota ~a + ~b; desno pa vsota ~b + ~a: Oba vektorja sta enako dolga, vzporedna in enako usmerjena, torej sta enaka. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Razlika vektorjev Razlika vektorjev ~a in ~b je vektor ~a ~b; za katerega velja ~b + (~a ~b) = ~a: Išµcemo torej vektor, ki ga moramo prišteti vektorju ~b; da dobimo vektor ~a: Vektor razlike ~a ~b lahko narišemo na dva naµcina: 1. Vektorja ~a in ~b vzporedno premaknemo tako, da imata skupni zaµcetni toµcki. Razlika ~a ~b je vektor od konµcne toµcke vektorja ~b do konµcne toµcke vektorja ~a; (spodnja slika (a)). 2. Vektor ~a ~b narišemo kot vsoto vektorja ~a in vektorja ~b (spodnja slika (b)). Slika: (a) razlika ~a ~b; (b) ~a ~b = ~a + ( ~b): µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Monoµzenje vektorja s skalarjem Mnoµzenje vektorja s skalarjem je raµcunska operacija, ki zdruµzuje vektorje in realna števila (skalarje). Produkt vektorja ~a s skalarjem (realnim številom) k 6= 0 je vektor k~a; ki je vzporeden vektorju ~a in ima dolµzino k j~aj : µ je jkj > 1; potem se dolµzina vektorja ~a poveµca in sicer jkj-krat. Ce µ je 0 < jkj < 1; potem se dolµzina vektorja ~a zmanjša. Ce µ je k > 0, je vektor k~a enako usmerjen kot vektor ~a: Ce µ je k < 0; je vektor k~a nasprotno usmerjen kot vektor ~a: Ce µ je k = 0; je 0 ~a = ~0 niµcelni vektor, µce je k = 1; je ( 1) ~a = ~a: Ce Slika: Vektorji ~a; 2~a; 1 ~a 2 in 3~a: µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Lastnosti mnoµzenja vektorja s skalarjem Za poljubni realni števili m in n ter poljubna vektorja ~a in ~b velja: n(m~a) = (nm)~a (n + m)~a = n~a + m~a n(~a + ~b) = n~a + m~b 1~a = ~a (asociativnost v skalarnem faktorju), (distributivnost v skalarnem faktorju), (distributivnost v vektorskem faktorju), (1 je nevtralni element za mnoµzenje). Zgled. Naj velja vektorska enaµcba 3 ~a 5n ~a = (2 7n) ~a: Kolikšen je skalar n; µce je ~a 6= ~0? Rešitev: Najprej dajmo vse µclene enaµcbe na isto stran enaµcaja in (upoštevaje distributivnost v skalarnem faktorju) izpostavimo ~a: (3 5n 2 + 7n) ~a = ~0 oziroma (1 + 2n) ~a = ~0: Ker je ~a 6= ~0; mora veljati 1 + 2n = 0; oziroma n = 1 2: µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Zgled V paralelogramu ABCD toµcka E deli stranico DC v razmerju jDEj : jECj = 3 : 1; toµcka F pa razpolavlja stranico BC: Naj bo ! ! ~a = AB in ~b = AD: ! ! ! Izrazimo vektorje AE; AF in EF s pomoµcjo vektorjev ~a in ~b: Slika: Vektorji v paralelogramu. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Rešitev zgleda Rešitev: Iz podane slike je razvidno, da velja: ! ! AB = DC = ~a; ! ! AD = BC = ~b; ! 3 DE = ~a; 4 ! 1~ BF = b: 2 Torej velja: ! ! AE = ~a + BE = ~a + ~b 14 ~a = 43 ~a + ~b; ! ! AF = ~a + BF = ~a + 12~b; ! ! ! EF = AE + AF = ( 34 ~a ~b) + (~a + 12~b) = 41 ~a 1~ 2 b: MOTIVACIJA IN DEFINICIJA µ RA CUNSKE OPERACIJE Kolinearnost in koplanarnost Vektorja ~a in ~b sta kolinearna (vzporedna), µce leµzita na isti ali na vzporednih premicah, glej spodnjo sliko (a). Slika: (a) kolinearna vektorja, (b) komplanarni vektorji. Vektorji so komplanarni, µce leµzijo v isti ali v vzporednih ravninah, glej zgornjo sliko (b). MOTIVACIJA IN DEFINICIJA µ RA CUNSKE OPERACIJE Primeri uporabe mnoµzenja vektorja s skalarjem Kolinearnosti dveh vektorjev: vektorja ~a in ~b sta kolinearna natanko takrat, ko velja ~a = k~b; k 2 R: Kolinearnost treh toµck A; B in C : toµcke A; B in C so kolinearne, ! ! µce leµzijo na isti premici. V tem primeru mora za vektorja AB in AC ! ! veljati: AC = k AB; k 2 R. za koplanarne vektorje ~a; ~b in ~c velja: µce vektorja ~a in ~b nista vzporedna, lahko vektor ~c na en sam naµcin razstavimo na komponenti v smeri vektorjev ~a in ~b: Obstajata takšna skalarja m; n 2 R; da velja ~c = m~a + n~b (spodnja slika). Slika: Razstavljanje vektorja ~c na komponente v smeri vektorjev ~a in ~b: µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Linearna kombinacija vektorjev Vsak izraz oblike m~a + n~b; kjer sta ~a in ~b vektorja ter m in n skalarja, imenujemo linearna kombinacija vektorjev ~a in ~b: Dejansko je to le drugo ime za vsoto vektorjev, ki so pomnoµzeni s skalarji. Opomba. Vektor ~c iz zadnje alineje na prejšnji prosojnici smo zapisali kot linearno kombinacijo vektorjev ~a in ~b. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Zgled Spodnja slika prikazuje vektorje ~a; ~b in ~c. Zapišimo vektor ~c kot linearno kombinacijo vektorjev ~a in ~b: Slika: Gra…µcen prikaz lin. kombinacije vektorjev. Rešitev: Iz slike je razvidno, da z uporabo paralelogramskega pravila dobimo ~c = m~a + n~b; kjer je m = 4 in n = 2: Torej je ~c = 4~a + 2~b: Opomba. Nalogo rešimo veliko laµzje, µce imamo vektorje podane s komponentami (to bomo obravnavali kasneje). µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Skalarni produkt Skalarni produkt vektorjev ~a in ~b je de…niran: kot produkt dolµzine vektorja ~a in pravokotne projekcije vektorja ~b na vektor ~a ALI kot produkt vektorja ~b in pravokotne projekcije vektorja ~a na vektor ~b: Skalarni produkt je skalar (realno število), ki ga oznaµcimo z ~a ~b in je enak produktu dolµzin obeh vektorjev (j~aj in ~b ) ter kosinusa kota med njima ('): ~a ~b = j~aj ~b cos '. Opomba. Znaka za mnoµzenje med vektorji NE SMEMO izpušµcati, ker obstajajo razliµcni produkti med vektorji. Tako je oznaka za skalarni produkt vektorjev pika (‘ ’), medtem, ko je oznaka za npr. vektorski produkt kriµzec (‘ ’). µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Lastnosti skalarnega produkta I Za skalarni produkt vektorjev ~a in ~b; ki oklepata kot ' velja: ~a ~b 0; µce je 0 ~a ~b < 0; µce je ' <' 2 ~a ~b = 0; µce je ' = 0: 2 ; ; Za poljubne tri vektorje ~a; ~b in ~c ter poljubno število m 2 R velja: ~a ~b = ~b ~a ~a (m~b) = (m~a) ~b = m(~a ~b) (~a + ~b) ~c = ~a ~c + ~b ~c (komutativnost), (homogenost), (distributivnost). µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Lastnosti skalarnega produkta II ~ kot med njima je Za skalarni produkt dveh vzporednih vektorjev (~c q d; lahko enak 0 ali 180 ) velja: ~c q d~ in '~c;d~ = 0 ) ~c q d~ in '~c;d~ = 180 ) ~ ~c d~ = j~cj d~ cos | {z0} = j~cj d : 1 ~c d~ = j~cj d~ cos 180} = | {z 1 j~cj d~ Pokazali smo, da je skalarni produkt dveh vzporednih vektorjev po velikosti enak produktu dolµzin ustreznih vektorjev, medtem ko je predznak odvisen od kota med njima. Opomba. Vektor ~a je vzporeden samemu sebi. Torej velja: 2 ~a ~a = j~aj j~aj = j~aj = a2 ; kar pomeni, da je skalarni produkt vektorja samega s sabo enak kvadratu njegove dolµzine. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Zgled 1 Dolµzini vektorjev ~a in ~b sta enaki j~aj = 4 in ~b = 3: Izraµcunaj skalarni produkt vektorjev ~a in ~b; µce je: a) kot med njima enak ' = 45 ; b) kot med njima enak = 150 : Rešitev: Z uporabo formule za skalarni produkt dobimo p a) ~a ~b = j~aj ~b cos ' = 4 3cos 45 = 6 2; | {z } p b) ~a ~b = j~aj ~b cos 2=2 = 4 3cos 150} = | {z p p 6 3: 3=2 Opomba. Kot vidimo je lahko skalarni produkt tudi negativno realno število! µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Zgled 2 V trikotniku 4ABC naj veljajo oznake kot jih prikazuje spodnja slika Slika: Oznake trikotnika. Poglejmo si, kako s pomoµcjo skalarnega produkta izpeljemo znani kosinusni izrek za trikotnike. µ RA CUNSKE OPERACIJE MOTIVACIJA IN DEFINICIJA Rešitev zgleda Iz slike razberemo, da je ~a = ~b ~c: Za skalarni produkt vektorja ~c samega s seboj velja: ~c ~c = (~b ~a) (~b ~a) = ~b ~b 2~b ~a + ~a ~a: 2 2 Upoštevaje enakosti ~c ~c = j~cj , ~a ~a = j~aj , ~b ~b = ~b ~b ~a = ~b j~aj cos ; tako dobimo znani izrek c2 = a2 + b2 2ab cos : 2 in