Угол между векторами определение

Содержание

Угол между векторами. Ортогональные проекции векторов

Угол между векторами определение

Углом между двумя ненулевыми векторами называется угол между равными им векторами, имеющими общее начало, не превосходящий по величине числа .

Пусть в пространстве даны два ненулевых вектора и (рис.1.22). Построим равные им векторы и . На плоскости, содержащей лучи и , получим два угла . Меньший из них, величина которого не превосходит , принимается за угол между векторами и .

Поскольку направление нулевого вектора не определено, то не определен и угол между двумя векторами, если хотя бы один из них нулевой. Из определения следует, например, что угол между ненулевыми коллинеарными векторами либо равен нулю (если векторы одинаково направлены), либо равен (если векторы противоположно направлены).

Ортогональные проекции векторов

Движение по любой прямой может быть в двух направлениях. Ориентированной прямой называется прямая, на которой выбрано направление, т.е. одно из направлений считается положительным, а противоположное — отрицательным. Для измерения длин отрезков на прямой задается масштабный отрезок, который принимается за единицу.

Ориентированная прямая с заданным масштабным отрезком называется осью.

Любой ненулевой вектор , принадлежащий прямой, называется направляющим вектором для данной прямой, поскольку задает на ней ориентацию.

Направление вектора принимается за положительное, а направление противоположного вектора — за отрицательное. Кроме того, длину вектора — можно принять за величину масштабного отрезка на этой прямой.

Поэтому можно сказать, что любой ненулевой вектор определяет ось — прямую, содержащую этот вектор, задавая на ней направление и масштабный отрезок.

Ортогональной проекцией вектора на ось, задаваемую вектором , называется его проекция на ось вдоль прямой (или вдоль плоскости), перпендикулярной данной оси. Ортогональную проекцию вектора на ось, задаваемую вектором , будем обозначать .

Ортогональную проекцию вектора на прямую (см. разд. 1.2.2 и рис. 1.13) будем обозначать .

Ортогональную проекцию вектора а на плоскость (см. разд. 1.2.2 и рис. 1.14) будем обозначать .

Разность между вектором и его ортогональной проекцией называют ортогональной составляющей:

— — ортогональная составляющая вектора относительно вектора ;

— — ортогональная составляющая вектора относительно прямой ;

— — ортогональная составляющая вектора относительно плоскости .

На рис. 1.23 изображены ортогональные проекции вектора :

— на прямую (или на ось , задаваемую вектором ) вдоль прямой (рис.1.23,а);

— на прямую (или на ось , задаваемую вектором ) вдоль плоскости (рис.1.23,б);

— на плоскость вдоль прямой (рис.1.23,в).

На рис. 1.23 изображены ортогональные составляющие вектора :

— относительно оси (вектора ): (рис.1.23,а);

— относительно плоскости (рис.1.23,в).

Для ортогональных проекций справедлива следующая теорема (см. теорему 1.1 в разд. 1.5).

Теорема 1.2 (об ортогональных проекциях вектора).

1. Если на плоскости заданы две взаимно перпендикулярные прямые и , то любой вектор на плоскости можно однозначно представить в виде суммы своих ортогональных проекций на эти прямые, т.е. (рис. 1.24,а).

2. Если в пространстве заданы три попарно перпендикулярные прямые и , пересекающиеся в одной точке, то любой вектор в пространстве можно однозначно представить в виде суммы своих ортогональных проекций на эти прямые, т.е. (рис. 1.24,6).

3. Квадрат длины вектора на плоскости или в пространстве равен сумме квадратов длин своих ортогональных проекций, т.е.

Первые два утверждения представляют собой частные случаи теоремы 1.1. Третье утверждение следует из теоремы Пифагора (для треугольника (рис. 1.24,а) или треугольников и (рис. 1.24,6)).

В формулировке теоремы 1.2 прямые можно заменить осями, задаваемыми попарно ортогональными векторами.

На рис.1.24,а проекции вектора на оси одновременно являются ортогональными составляющими: и . На рис. 1.24,6 вектор является проекцией вектора на плоскость , содержащую прямые и : , а вектор является ортогональной составляющей вектора относительно плоскости .

Алгебраическое значение длины проекции

Пусть – угол между ненулевым вектором и осью, задаваемой вектором , т.е. угол между ненулевыми векторами и .

Алгебраическим значением длины ортогональной проекции вектора на ось, задаваемую вектором , называется длина его ортогональной проекции , взятая с положительным знаком, если угол не превышает , и с отрицательным знаком, если угол больше , т.е.:

Например, для проекций, изображенных на рис. 1.25, , поскольку угол между векторами и острый, a , так как угол между векторами и тупой.

Некоторые свойства проекций векторов переносятся на алгебраические значения их длин, в частности:

1. — алгебраическое значение длины ортогональной проекции суммы векторов равно сумме алгебраических значений длин ортогональных проекций слагаемых;

2. — алгебраическое значение длины ортогональной проекции произведения вектора на число равно произведению этого числа на алгебраическое значение длины ортогональной проекции вектора

Замечания 1.4.

1. Из определения алгебраического значения длины ортогональной проекции следует (см. также рис.1.25), что , т.е. алгебраическое значение длины ортогональной проекции ненулевого вектора на ось равна произведению длины этого вектора на косинус угла между вектором и осью.

Ортогональную проекцию вектора на ось, задаваемую вектором , можно представить в виде

Если — единичный вектор, то .

2. Равенство можно использовать как определение косинуса угла между ненулевыми векторами и (или, что то же самое, косинуса угла между осями, заданными ненулевыми векторами и (рис. 1.26)).

3. Углом между ненулевым вектором и прямой называется угол между вектором и его ортогональной проекцией на прямую . Величина угла может быть найдена по формуле

4. Углом между ненулевым вектором и плоскостью называется угол между вектором и его ортогональной проекцией на плоскость . Величина угла может быть найдена по формуле

Пример 1.7. Основания и равнобокой трапеции равны и соответственно; точка — середина стороны (рис. 1.27). Найти алгебраические значения длин ортогональных проекций векторов и на ось, задаваемую вектором .

Решение. Пусть — высота трапеции, — точка пересечения прямых и . По свойству равнобокой трапеции ; из равенства треугольников и .

Обозначим через искомые алгебраические значения длин ортогональных проекций.Тогда из равенств

,

и свойства 1 алгебраических значений длин проекций следует:

Решая систему находим , т.е. .

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Источник: http://MathHelpPlanet.com/static.php?p=ugol-mezhdu-vektorami-i-ortogonalnye-proektsii-vektorov

Евклидово пространство

Угол между векторами определение

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >

Перейти к загрузке файла

В предыдущем параграфе линейное (аффинное) пространство было определено как множество элементов (векторов) с заданными в нем операциями умножения на числа и сложения.С помощью этих операций можно сформулировать, что такое прямая, плоскость, число измерений пространства, что такое параллельные прямые и т.д.Однако этих понятий недостаточно, чтобы охватить все многообразие фактов, составляющих содержание так называемой евклидовой геометрии. Например, в одних терминах сложения и умножения на число мы не сможем дать определение длины вектора, угла между векторами, скалярного произведения векторов и т.д. Ввести эти понятия проще всего следующим образом.Выберем в качестве основного понятие скалярного произведения, которое определим аксиоматически.В терминах сложения векторов, умножения их на числа и скалярного произведения векторов мы сможем развить всю евклидову геометрию.Определение2.1 Будем говорить, что в вещественном пространстве определено скалярное произведение, если каждой паре векторов поставлено в соответствие действительное число, которое обозначим через причем это соответствие обладает следующими свойствами (удовлетворяет следующим аксиомам):

  • 1 , т.е. скалярное произведение симметрично.
  • 2
  • 3 (дистрибутивность скалярного произведения).
  • 4 Скалярное произведение вектора с самим собой неотрицательно: , и обращается в нуль, лишь если .

Аффинное пространство, в котором определено скалярное произведение, удовлетворяющее условиям 1-4, мы называем евклидовым.Пример 1. Под векторами пространства мы будем понимать векторы изучаемого в элементарной геометрии трехмерного пространства (пример 1 1). Скалярное произведение векторов определим как произведение их длин на косинус угла между ними. Можно проверить, что аксиомы 1-4 действительно выполнены. Мы предоставляем эту проверку читателю.2. Векторами пространства мы назовем всякую систему действительных чисел . Сложение векторов и умножение их на число определим так (пример 2 1):гдеСкалярное произведение векторов и определим формулой

Легко проверить, что аксиомы 1-3 действительно выполнены. Аксиома 4 также справедлива, так как и только при .

3. Рассмотрим пример более общий, чем пример 2.

Вектор по-прежнему определим как совокупность действительных чисел. Сложение векторов и умножение их на числа определим так же, как в примере 2.

Зададимся некоторой матрицей . Скалярное произведение векторов и определим формулой

Посмотрим, какие условия нужно наложить на матрицу , чтобы выражение, определяемое формулой (1), действительно удовлетворяло всем аксиомам скалярного произведения.

Непосредственной проверкой убеждаемся в том, что аксиомы 2 и 3 выполнены для всякой матрицы . Для того чтобы была выполнена аксиома 1, т.е. чтобы выражение было симметричным относительно и , необходимо и достаточно, чтобы

т.е. чтобы матрица была симметричной.

Аксиома 4 требует, чтобы выражение

было неотрицательно для любых и обращалось в нуль, лишь если .

Однородный многочлен (“квадратичная форма''), определяемый формулой (3), называется положительно определенным, если он принимает лишь неотрицательные значения и обращается в нуль, лишь когда все равны нулю. Аксиома 4 требует, следовательно, чтобы квадратичная форма (3) была положительно определенной.

Итак, всякая матрица задает скалярное произведение, определяемое формулой (1), если только эта матрица симметрична [условие (2)] и соответствующая ей квадратичная форма — положительно определенная.

Если в качестве матрицы взять единичную матрицу, т.е. положить и , то скалярное произведение примет вид

и мы получим евклидово пространство, определенное в примере 2.

4. Векторами пространства мы будем называть непрерывные функции, заданные на интервале ; скалярное произведение таких функций определим как интеграл их произведения

Можно проверить, что при таком определении скалярного произведения аксиомы 1-4 выполнены.

5. Будем считать векторами многочлены от степени не выше . Скалярное произведение двух многочленов определим как и в предыдущем примере:

Аксиомы 1-4 проверяются как и в примере 4.

Длина вектора. Угол между векторами

Определим с помощью введенного понятия скалярного произведения длину вектора и угол между векторами.

Определение2.2 Длиной вектора в евклидовом пространстве называется число

Длину вектора будем обозначать через .

Естественно пожелать, чтобы угол между векторами, длина вектора и скалярное произведение были связаны обычным соотношением: скалярное произведение векторов равно произведению их длин на косинус угла между ними. Так как в этой фразе смысл всех слов, кроме слов “угол между векторами'', нам уже известен, то этим предписывается следующее

Определение2.3 Углом между векторами и мы назовем число

т.е. положим

Векторы и называются ортогональными, если угол между ними равен, т.е. если

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >

Перейти к загрузке файла

В предыдущем пункте у нас остался пробел. Мы определили угол между векторами и формулойДля того чтобы можно было определить из этого равенства, нужно доказать, чтоили, что то же самое, чтот.е.Это неравенство называется неравенством Коши-Буняковского.Итак, для того чтобы иметь право определить угол между двумя векторами формулой (5), мы должны доказать неравенство Коши-Буняковского 2.5.Чтобы доказать его, рассмотрим вектор , где — произвольное действительное число. Согласно аксиоме 4 скалярного произведеният.е. для любогоМы видим, что стоящий слева квадратный относительно трехчлен принимает лишь неотрицательные значения. Следовательно, дискриминант уравненияне может быть положительным, т.е.что и требовалось доказать.Приведем пример неравенства, являющегося следствием неравенства Коши-Буняковского.Для любых векторов и в евклидовом пространстве имеет место неравенствоДоказательство.так как (в силу неравенства Коши-Буняковского) , тот.е. , что и требовалось доказать. (См. также 3, стр.)В рассматриваемых ниже примерах используется векторное неравенство Коши – Буняковского и его следствие| · | || · || , (I)· || · || , (II)Заметим, что знак «=» достигается а) в неравенстве (I), если векторы и коллинеарны; б) в неравенстве (II), если векторы и сонаправлены.Пусть векторы и и v имеют координаты: (х1, у1, z1), (x2, y2, z2). Тогда неравенства (I) и (II) примут вид:(I)(II)Из неравенств(I) и (II) в том случае, когда имеет место знак «=», следует, что = , где 0, что эквивалентно системеx1 = x2,y1 = y2,z1 = z2, (III)Перейдем теперь к решению примеровПример1. Решить систему уравнений.

Решение. На первый взгляд может показаться, что данная система имеет бесконечное множество решений (три переменных и два уравнения). Однако такое мнение ошибочно. Как будет показано далее, система (1)-(2) имеет единственное решение.

Рассмотрим векторы: и . Тогда

Так как и , то

Учитывая (3) и (4), имеем: и*е= и * е

Следовательно, на основании (3) x=y=z , а с учетом (1) получаем, что х=у=z=

Ответ: (1/3, 1/3, 1/3).

Пример 2. Решить систему уравнений

(5)(6)

Решение. Эта система, аналогично предыдущей, на первый взгляд кажется неопределенной, но, в отличие от предыдущей, она не имеет решений.

Положим (x2, y2, z2) и (1; 2; 2). Тогда очевидно, что || = 1, || = и || · || = . Из (6) следует, что · =. Получается · > || · ||, что невозможно. Следовательно, система (5) – (6) решений не имеет.

Пример 3. Решить систему уравнений

(1) (2)(3)

Решение. Нетрудно убедиться, что данная система не имеет решений, в которых хотя бы одно переменное было, равно нулю. Поэтому, разделив обе части уравнения (1) на х2у2z2 , мы получаем систему, равносильную данной.

(1,а)(2)(3)

Рассмотрим векторы (, , ), (x, 2y, z).

Тогда · = 12. Из (1,a) и (2) следует, что || = 4 и || = 3. Таким образом,

· = || · ||. (4)

Из (4) на основании (III) следует, что

= = ,

откуда y2 = и z2 =. Тогда из уравнения (2) имеем:

x2 + + = 9,

откуда х = ± . При этом y = ± и z = ± .

Из полученных значений х, у и z составим восемь троек чисел:

Каждая из приведенных троек является решением уравнений (1) и (2) данной системы. Далее нужно установить, какая из них является решением уравнения (3).

Проверкой убеждаемся, что только две тройки и удовлетворяют уравнению (3) и потому являются решениями данной системы.

Покажем теперь применение неравенств (I) и (II) при доказательстве неравенств.

Пример 4. Доказать, что для произвольных чисел а, b и с справедливо неравенство:

a2b2 + b2c2 + a2c2 abc(a + b + c). (1)

Решение. Введем векторы: (ab, bc, ca) и (ас, аb, bс). Для них имеем:

· = а2bс + аb2c + abс2 = abc(a + b + c), (2)

· = а2b2 + b2c + a2с2. (3)

Из (2) и (3) на основании (II) следует (1).

Пример 5. Доказать, что если а, b, с и d – неотрицательные числа, то имеет место неравенство

Решение. Введем векторы (, ) и (, ). Тогда

· =

На основании (II) имеем

Покажем далее применение векторного неравенства Коши – Буняковского к доказательству условных неравенств.

Пример 6. Доказать, что если

x2 + y2 2, (1)

то

|x + y| 2,

Решение. Введем векторы: (х, у) и (1, 1). Тогда

· = x + y,

|| = и = (2)

На основании (I), учитывая (1) и (2), имеем |x + y| 2.

Пример 7. Доказать, что если

xy + yz + zx = 1,(1)

то

x2 + y2 + z2 1.

Решение. Введем векторы (х, у, z) и (y, z, x). Тогда

· = xy + yz + zx,

|| = || =

На основании (II) имеем:

xy + yz + zx x2 + y2 + z2.

Учитывая (1), получаем, что

x2 + y2 + z2 1.

В заключение покажем применение векторного неравенства Коши – Буняковского при отыскании экстремумов.

Пример 8. Найти наибольшее значение функции

y = (1)

Решение. Функция (1) определена для -7 х 11.

Рассмотрим векторы: () и (1, 1). Тогда

· = ,

|| = и || =, || · || = 6.

На основании (II) имеем

(2)

Из (2) следует, что max y = 6. Это наибольшее значение достигается,

[-7; 11]

если векторы и коллинеарны. При этом

откуда х = 2.

Итак, ymax = y(2) = 6,

Пример 9. Найти наибольшее значение функции

(1)

Решение. Функция (1) определена при всех х R. Введем векторы:

и (1, 1).

Тогда

· =

|| = и || =, || · || = 4.

На основании (II) имеем:

Итак, max y=4, что реализуется при , откуда cos2x=, x=, где .

Источник: https://vuzlit.ru/912364/evklidovo_prostranstvo

Угол между векторами определение

Угол между векторами определение

Угол между двумя векторами , :

Если угол между двумя векторами острый, то их скалярное произведение положительно; если угол между векторами тупой, то скалярное произведение этих векторов отрицательно. Скалярное произведение двух ненулевых векторов равно нулю, тогда и только тогда, когда эти векторы ортогональны.

Задание. Найти угол между векторами и

Решение. Косинус искомого угла

16. Вычисление угла между прямыми, прямой и плоскостью

Угол между прямой и плоскостью, пересекающей эту прямую и не перпендикулярной к ней, – это угол между прямой и ее проекцией на эту плоскость.

Определение угла между прямой и плоскостью позволяет заключить, что угол между прямой и плоскостью представляет собой угол между двумя пересекающимися прямыми: самой прямой и ее проекцией на плоскость. Следовательно, угол между прямой и плоскостью есть острый угол.

Угол между перпендикулярными прямой и плоскостью считают равным , а угол между параллельными прямой и плоскостью либо не определяют вовсе, либо считают равным .

§ 69. Вычисление угла между прямыми.

Задача вычисления угла между двумя прямыми в пространстве решается так же, как и на плоскости (§ 32). Обозначим через φ величину угла между прямыми ll2, а через ψ — величину угла между направляющими векторами а и b этих прямых.

Тогда, если

ψ 90° (рис. 206,6), то φ = 180° — ψ. Очевидно, что в обоих случаях верно равенство cos φ = |cos ψ|. По формуле (1) § 20 имеем

следовательно,

Пусть прямые заданы своими каноническими уравнениями

Тогда угол φ между прямыми определяется с помощью формулы

(1)

Если одна из прямых (или обе) задана не каноничecкими уравнениями, то для вычисления угла нужно найти координаты направляющих векторов этих прямых, а затем воспользоваться формулой (1).

17. Параллельные прямые, Теоремы о параллельных прямых

Определение. Две прямые на плоскости называются параллельными, если они не имеют общих точек.

Две прямые в трехмерном пространстве называются параллельными, если они лежат в одной плоскости и не имеют общих точек.

studopedia.ru

Угол между двумя векторами

Из определения скалярного произведения:

.

Условие ортогональности двух векторов:

Условие коллинеарности двух векторов:

.

Следует из определения 5 – . Действительно, из определения произведения вектора на число, следует . Поэтому, исходя из правила равенства векторов, запишем , , , откуда вытекает . Но вектор , получившийся в результате умножения вектора на число , коллинеарен вектору .

Проекция вектора на вектор:

.

Пример 4. Даны точки , , , .

Найти скалярное произведение .

Решение. найдем по формуле скалярного произведения векторов, заданных своими координатами. Поскольку

, ,

,

то .

Пример 5.Даны точки , , , .

Найти проекцию .

Решение. Поскольку

, ,

,

то и .

На основании формулы проекции, имеем

.

Пример 6.Даны точки , , , .

Найти угол между векторами и .

Решение. Заметим, что вектора

, ,

,

не являются коллинеарными, поскольку не пропорциональны их координаты:

.

Эти вектора не являются также перпендикулярными, так как их скалярное произведение .

Найдем ,

Угол найдем из формулы:

.

Пример 7. Определить при каких вектора и коллинеарны.

Решение. В случае коллинеарности, соответствующие координаты векторов и должны быть пропорциональны, то есть:

.

Отсюда и .

Пример 8. Определить, при каком значении вектора и перпендикулярны.

Решение. Вектора и перпендикулярны, если их скалярное произведение равно нулю. Из этого условия получаем: . Стало быть, .

Пример 9. Найти , если , , .

Решение. В силу свойств скалярного произведения, имеем:

Пример 10. Найдите угол между векторами и , где и единичные векторы и угол между векторами и равен 120о.

Решение. Имеем: , ,

Значит

Значит

Окончательно имеем: .

5.б. Векторное произведение.

Определение 21.Векторным произведением вектора на вектор называется вектор , или , определяемый следующими тремя условиями:

1) Модуль вектора равен , где – угол между векторами и , т.е. .

Отсюда следует, что модуль векторного произведения численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах и как на сторонах.

2) Вектор перпендикулярен к каждому из векторов и ( ; ), т.е. перпендикулярен плоскости параллелограмма, построенного на векторах и .

3) Вектор направлен так, что если смотреть из его конца, то кратчайший поворот от вектора к вектору был бы против часовой стрелки (векторы , , образуют правую тройку).

studopedia.ru

Как вычислить углы между векторами?

При изучении геометрии немало вопросов возникает по теме векторов. Особенные трудности обучающийся испытывает при необходимости найти углы между векторами.

Основные термины

Перед тем как рассматривать углы между векторами, необходимо ознакомиться с определением вектора и понятием угла между векторами.

Вектором называют отрезок, имеющий направление, то есть отрезок, для которого определено его начало и конец.

Углом между двумя векторами на плоскости, имеющих общее начало, называют меньший из углов, на величину которого требуется переместить один из векторов вокруг общей точки, до положения, когда их направления совпадут.

Формула для решения

Поняв, что собой представляет вектор и как определяется его угол, можно вычислить угол между векторами. Формула решения для этого достаточно проста, и результатом её применения будет значение косинуса угла. Согласно определению, он равен частному скалярного произведения векторов и произведения их длин.

Скалярное произведение векторов считается как сумма помноженных друг на друга соответствующих координат векторов-сомножителей. Длина вектора, или его модуль, вычисляется как квадратный корень из суммы квадратов его координат.

Получив значение косинуса угла, вычислить величину самого угла можно с помощью калькулятора или воспользовавшись тригонометрической таблицей.

Пример

После того как вы разберетесь с тем, как вычислить угол между векторами, решение соответствующей задачи станет простым и понятным. В качестве примера стоит рассмотреть несложную задачу о нахождении величины угла.

Первым делом удобнее будет вычислить необходимые для решения значения длин векторов и их скалярного произведения. Воспользовавшись описанием, представленным выше, получим:

Подставив полученные значения в формулу, вычислим значение косинуса искомого угла:

Это число не является одним из пяти распространённых значений косинуса, поэтому для получения величины угла, придётся воспользоваться калькулятором или тригонометрической таблицей Брадиса. Но перед тем, как получить угол между векторами, формула может быть упрощена, чтобы избавиться от лишнего отрицательного знака:

Итоговый ответ для сохранения точности можно оставить в таком виде, а можно вычислить значение угла в градусах. По таблице Брадиса его величина составит примерно 116 градусов и 70 минут, а калькулятор покажет значение 116,57 градуса.

Вычисление угла в n-мерном пространстве

При рассмотрении двух векторов в трёхмерном пространстве, понять, о каком угле идёт речь гораздо сложнее, если они не лежат в одной плоскости.

Для упрощения восприятия можно начертить два пересекающихся отрезка, которые образуют наименьший угол между ними, он и будет искомым. Несмотря на наличие третьей координаты в векторе, процесс того, как вычисляются углы между векторами, не изменится.

Вычислите скалярное произведение и модули векторов, арккосинус их частного и будет являться ответом на данную задачу.

В геометрии нередко встречаются задачи и с пространствами, имеющими больше трёх измерений. Но и для них алгоритм нахождения ответа выглядит аналогично.

Разница между 0 и 180 градусами

Одна из распространённых ошибок при написании ответа на задачу, рассчитанную на то чтобы вычислить угол между векторами, – решение записать, что векторы параллельны, то есть искомый угол получился равен 0 или 180 градусам. Этот ответ является неверным.

Получив по итогам решения значение угла 0 градусов, правильным ответом будет обозначение векторов как сонаправленных, то есть у векторов будет совпадать направление. В случае получения 180 градусов векторы будут носить характер противоположно направленных.

Специфические векторы

Найдя углы между векторами, можно встретить один из особых типов, помимо описанных выше сонаправленных и противоположно направленных.

  • Несколько векторов параллельных одной плоскости называются компланарными.
  • Векторы, одинаковые по длине и направлению, называются равными.
  • Векторы, лежащие на одной прямой, независимо от направления, именуются коллинеарными.
  • Если длина вектора равна нулю, то есть его начало и конец совпадают, то его называют нулевым, а если единице, то единичным.

syl.ru

Как найти угол между векторами?

помогите пожалуйста! формулу знаю, а вычислить не получается ((
вектор a (8; 10; 4) вектор b (5; -20; -10)

Александр титов

Угол между векторами, заданными своими координатами, находится по стандартному алгоритму. Сначала нужно найти скалярное произведение векторов a и b: (a, b) = x1x2 + y1y2 + z1z2. Подставляем сюда координаты данных векторов и считаем: (a,b) = 8*5 + 10*(-20) = 4*(-10) = 40 – 200 – 40 = -200.

Далее определяем длины каждого из векторов.

Длина или модуль вектора – это корень квадратный из суммы квадратов его координат: |a| = корень из (x12 + y12 + z12) = корень из (82 + 102 + 42) = корень из (64 + 100 + 16) = корень из 180 = 6 корней из 5 |b| = корень из (x22 + y22 + z22) = корень из (52 + (-20)2 + (-10)2) = корень из (25 + 400 + 100) = корень из 525 = 5 корней из 21. Перемножаем эти длины. Получаем 30 корней из 105. И наконец, делим скалярное произведение векторов на произведение длин этих векторов. Получаем, -200/(30 корней из 105) или – (4 корня из 105) / 63. Это – косинус угла между векторами. А сам угол равен арккосинусу из этого числа ф = arccos(-4 корня из 105) / 63.

Если я всё правильно посчитал.

Источник: https://zna4enie.ru/opredelenie/ugol-mezhdu-vektorami-opredelenie.html

Как найти угол между векторами

Угол между векторами определение

Для того, чтобы мы могли ввести формулу для вычисления угла между векторами через координаты, нужно сначала разобраться с самим понятием угла между этими векторами.

Определение 1

Пусть нам даны два вектора $\overline{α}$ и $\overline{β}$. Возьмем в пространстве какую-либо точку $O$ и отложим от нее векторы $\overline{α}=\overline{OA}$ и $\overline{β}=\overline{OB}$, тогда угол $AOB$ будет носить название угол между двумя векторами. (рис. 1).

Рисунок 1. Угол между векторами. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Причем мы будем считать, что если векторы $\overline{α}$ и $\overline{β}$ будут сонаправленными, или один или оба из них будет нулевым вектором, то угол между этими векторами будет равняться $0\circ$.

Обозначение: $∠(\overline{α},\overline{β})$

Нахождение угла между векторами в пространстве с помощью скалярного произведения

Вспомним сначала, что называется скалярным произведением и каким образом его можно находить.

Определение 2

Скалярным произведением двух векторов будем называть такой скаляр (или число), который равняется произведению длин двух этих векторов с косинусом угла между данными векторами.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Математически это может выглядеть следующим образом:

$\overline{δ}\overline{β}=|\overline{δ}||\overline{β}|cos∠(\overline{δ},\overline{β})$

Также, помимо того, как из самого определения 1, для нахождения скалярного произведения можно пользоваться следующей теоремой.

Теорема 1

Скалярное произведение двух данных векторов $\overline{δ}$ и $\overline{β}$ с координатами $(δ_1,β_1,γ_1)$ и $(δ_2,β_2,γ_2)$, равняется сумме произведений их соответствующих координат.

Математически выглядит следующим образом

$\overline{δ}\cdot \overline{β}=δ_1 δ_2+β_1 β_2+γ_1 γ_2$

Обозначение: $\overline{δ}\cdot \overline{β}$.

С помощью скалярного произведения мы можем найти косинус угла между векторами. Пусть нам даны векторы $\overline{δ}$ и $\overline{β}$ с координатами $(δ_1,β_1,γ_1)$ и $(δ_2,β_2,γ_2)$, соответственно. Из определения 2 получим, что

$cos∠(\overline{δ},\overline{β})=\frac{\overline{δ}\cdot \overline{β}}{|\overline{δ}||\overline{β}|}$

Из теоремы 1 мы знаем, что $\overline{δ}\cdot \overline{β}=δ_1 δ_2+β_1 β_2+γ_1 γ_2$, следовательно

$cos∠(\overline{δ},\overline{β})=\frac{δ_1 δ_2+β_1 β_2+γ_1 γ_2}{|\overline{δ}||\overline{β}|}$

Расписывая по формуле длины вектора значения $|\overline{δ}|$ и $|\overline{β}|$, окончательно получим

$cos∠(\overline{δ},\overline{β})=\frac{δ_1 δ_2+β_1 β_2+γ_1 γ_2}{\sqrt{δ_12+β_12+γ_12 } \sqrt{δ_22+β_22+γ_22}}$

Найдя значение косинуса, мы легко найдем и значение самого угла.

Пример 1

Найти косинус угла между векторами $\overline{δ}$ и $\overline{β}$, имеющими координаты $(1,-2,2)$ и $(3,0,4)$, соответственно.

Решение.

Найдем скалярное произведение между данными векторами через координаты:

$\overline{δ}\cdot \overline{β}=1\cdot 3+(-2)\cdot 0+2\cdot 4=11$

Найдем длины этих векторов:

$|\overline{δ}|=\sqrt{12+(-2)2+22}=\sqrt{9}=3$

$|\overline{β}|=\sqrt{32+02+42}=\sqrt{25}=5$

В результате, получим

$cos⁡∠(\overline{δ},\overline{β})=\frac{11}{3\cdot 5}=\frac{11}{15}$

Ответ: $\frac{11}{15}$.

Нахождение угла между векторами с помощью векторного произведения

Вспомним сначала, определение векторного произведения и каким образом его можно находить.

Определение 3

Векторным произведением двух векторов называется такой вектор, который будет перпендикулярен обоим данным векторам, и его длина равна произведению длин этих векторов с синусом угла между данными векторами, а также этот вектор с двумя начальными имеют ту же ориентацию, как и декартова система координат.

Обозначение: $\overline{δ}х\overline{β}$.

Математически это выглядит следующим образом:

  1. $|\overline{δ}х\overline{β}|=|\overline{δ}||\overline{β}|sin⁡∠(\overline{δ},\overline{β})$
  2. $\overline{δ}х\overline{β}⊥\overline{δ}$, $\overline{δ}х\overline{β}⊥\overline{β}$
  3. $(\overline{δ}х\overline{β},\overline{δ},\overline{β})$ и $(\overline{i},\overline{j},\overline{k})$ одинаково ориентированы (рис. 2)

Рисунок 2. Векторное произведение. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для нахождения вектора векторного произведения можно пользоваться следующей формулой:

$\overline{δ}х\overline{β}=\begin{vmatrix}\overline{i}&\overline{j}&\overline{k}\\δ_1&δ_2&δ_3\\β_1&β_2&β_3\end{vmatrix}$

С помощью векторного произведения мы можем найти синус угла между данными векторами. Пусть нам даны векторы $\overline{δ}$ и $\overline{β}$ с координатами $(δ_1,δ_2,δ_3)$ и $(β_1,β_2,β_3)$, соответственно. Из определения 3 получим, что

${\sin \angle \left(\overrightarrow{\delta },\overrightarrow{\beta }\right)\ }=\frac{\left|\overrightarrow{\delta }х\overrightarrow{\beta }\right|}{\left|\overrightarrow{\delta }\right||\overrightarrow{\beta }|}$

Найдем вектор векторного произведения по формуле:

$\overline{δ}х\overline{β}=\begin{vmatrix}\overline{i}&\overline{j}&\overline{k}\\δ_1&δ_2&δ_3\\β_1&β_2&β_3\end{vmatrix}=(δ_2 β_3-δ_3 β_2,δ_3 β_1-δ_1 β_3,δ_1 β_2-δ_2 β_1)$

Расписывая по формуле длины вектора значения $|\overline{δ}|$, $|\overline{β}|$ и $|\overline{δ}х\overline{β}|$, окончательно получим

$sin∠(\overline{δ},\overline{β})=\frac{\sqrt{(δ_2 β_3-δ_3 β_2)2+(δ_3 β_1-δ_1 β_3)2+(δ_1 β_2-δ_2 β_1)2}}{\sqrt{δ_12+δ_22+δ_32}\sqrt{β_12+β_22+β_32}}$

Найдя значение синуса, мы легко найдем и значение самого угла между векторами через координаты через формулу.

Пример 2

Найти синус угла между векторами $\overline{δ}$ и $\overline{β}$, имеющими координаты $(1,-2,2)$ и $(3,0,4)$, соответственно.

Решение.

Найдем вектор векторного произведения между данными векторами по формуле:

$\overline{δ}х\overline{β}=\begin{vmatrix}\overline{i}&\overline{j}&\overline{k}\\1&-2&2\\3&0&4\end{vmatrix}=-8\overline{i}+2\overline{j}+6\overline{k}=(-8,1,6)$

Найдем длины этих векторов:

$|\overline{δ}х\overline{β}|=\sqrt{(-8)2+22+62}=\sqrt{104}=2\sqrt{26}$

$|\overline{δ}|=\sqrt{12+(-2)2+22}=\sqrt{9}=3$

$|\overline{β}|=\sqrt{32+02+42}=\sqrt{25}=5$

В результате, получим

$sin∠(\overline{δ},\overline{β})=\frac{2\sqrt{26}}{3\cdot 5}=\frac{2\sqrt{26}}{15}$

Ответ: $\frac{2\sqrt{26}}{15}$.

Источник: https://spravochnick.ru/geometriya/metod_koordinat_v_prostranstve/kak_nayti_ugol_mezhdu_vektorami/

Скалярное произведение векторов: теория и решения задач

Угол между векторами определение

Определение 1. Скалярным произведением векторов называется число (скаляр), равное произведению длин (модулей) этих векторов на косинус угла между ними. Формула скалярного произведения векторов согласно определению 1:    (1)

Можно встретить и другое название этой операции: внутреннее произведение.

Скалярное произведение вектора на себя называется скалярным квадратом.

Сформулируем другое определение, эквивалентное определению 1.

Определение 2. Скалярным произведением векторов называется число (скаляр), равное произведению длины одного их этих векторов на проекцию другого вектора на ось, определяемую первым из указанных векторов. Формула согласно определению 2:

   (2)

или

   (3)

На этом уроке будем решать распространённые задачи не только на непосредственное вычисление скалярного произведения, но и на выяснение ортогональности (перпендикулярности) векторов, вида угла (тупой, острый, прямой) между векторами, вычисление скалярного произведения векторов, которые даны в координатах, вычисление длин диагоналей параллелограма, построенного на вектора. Но все по порядку. Перед каждым видом задач будем обращать внимание на то, что на этот счёт гласит теория.

Если в задаче и длины векторов, и угол между ними преподнесены “на блюдечке с голубой каёмочкой”, то условие задачи и её решение выглядят так:

Пример 1. Даны векторы . Найти скалярное произведение векторов , если их длины и угол между ними представлены следующими значениями:

Решение:

Определение скалярного произведения векторов через координаты

Определение 3.Скалярное произведение векторов – это число, равное сумме попарных произведений их соответствующих координат.

На плоскости

Если два вектора и на плоскости определены своими двумя декартовыми прямоугольными координатами

и

,

то скалярное произведение этих векторов равно сумме попарных произведений их соответствующих координат:

.

В пространстве

Если два вектора и в пространстве определены своими тремя декартовыми прямоугольными координатами

и

,

то скалярное произведение этих векторов также равно сумме попарных произведений их соответствующих координат, только координат уже три:

.

Свойства скалярного произведения векторов

  (переместительное свойство: от перемены местами перемножаемых векторов величина их скалярного произведения не меняется)

  (сочетательное относительно числового множителя свойство: скалярное произведение вектора, умноженного на некоторый множитель, и другого вектора, равно скалярному произведению этих векторов, умноженному на тот же множитель)

  (распределительное относительно суммы векторов свойство: скалярное произведение суммы двух векторов на третий вектор равно сумме скалярных произведений первого вектора на третий вектор и второго вектора на третий вектор)

(скалярный квадрат вектора больше нуля), если – ненулевой вектор, и , если – нулевой вектор.

В определениях изучаемой операции мы уже касались понятия угла между двумя векторами. Пора уточнить это понятие.

На рисунке выше видны два вектора, которые приведены к общему началу. И первое, на что нужно обратить внимание: между этими векторами существуют два угла – φ1 и φ2.

Какой из этих углов фигурирует в определениях и свойствах скалярного произведения векторов? Сумма рассмотренных углов равна 2π и поэтому косинусы этих углов равны. В определение скалярного произведения входит только косинус угла, а не значение его выражения.

Но в свойствах рассматривается только один угол. И это тот из двух углов, который не превосходит π, то есть 180 градусов. На рисунке этот угол обозначен как φ1.

1. Два вектора называют ортогональными и угол между этими векторами – прямой (90 градусов или π/2), если скалярное произведение этих векторов равно нулю:

.

Ортогональностью в векторной алгебре называется перпендикулярность двух векторов.

2. Два ненулевых вектора составляют острый угол (от 0 до 90 градусов, или, что тоже самое – меньше π/2) тогда и только тогда, когда их скалярное произведение положительно.

3. Два ненулевых вектора составляют тупой угол (от 90 до 180 градусов, или, что то же самое – больше π/2) тогда и только тогда, когда их скалярное произведение отрицательно.

Пример 2. Доказать, что вектор ортогонален (перпендикулярен) вектору

Решение. Чтобы проверить ортогональность, перемножим векторы и как многочлены, подставляя вместо его выражение, данное в условии задачи:

.

Для этого нужно каждый член (слагаемое) первого многочлена умножить на каждый член второго и полученные произведения сложить:

.

В полученном результате дробь за счёт сокращается. Получается следующий результат:

.

Вывод: в результате умножения получили нуль, следовательно, ортогональность (перпендикулярность) векторов доказана.

Пример 3. Даны длины двух векторов и угол между ними:

.

Определить, при каком значении числа векторы и ортогональны (перпендикулярны).

Решение. Перемножим векторы по правилу умножения многочленов:

.

Теперь вычислим каждое слагаемое:

.

Составим уравнение (равенство произведения нулю), приведём подобные члены и решим уравнение:

Ответ: мы получили значение λ = 1,8, при котором векторы ортогональны.

Пример 4. В координатах даны векторы:

.

Вычислить скалярные произведения всех пар данных векторов. Какой угол (острый, прямой, тупой) образуют эти пары векторов?

Решение. Вычислять будем путём сложения произведений соответствующих координат.

.

Получили отрицательное число, поэтому векторы образуют тупой угол.

.

Получили положительное число, поэтому векторы образуют острый угол.

.

Получили положительное число, поэтому векторы образуют острый угол.

.

Получили нуль, поэтому векторы образуют прямой угол.

.

Получили положительное число, поэтому векторы образуют острый угол.

.

Получили положительное число, поэтому векторы образуют острый угол.

Матричное представление скалярного произведения векторов и произведение n-мерных векторов

Иногда выигрышным для наглядности является представление двух перемножаемых векторов в виде матриц. Тогда первый вектор представлен в виде матрицы-строки, а второй – в виде матрицы-столбца:

Тогда скалярное произведение векторов будет произведением этих матриц:

Результат тот же, что и полученный способом, который мы уже рассмотрели. Получили одно единственное число, и произведение матрицы-строки на матрицу-столбец также является одним единственным числом.

В матричной форме удобно представлять произведение абстрактных n-мерных векторов. Так, произведение двух четырёхмерных векторов будет произведением матрицы-строки с четырьмя элементами на матрицу-столбец также с четырьмя элементами, произведение двух пятимерных векторов – произведением матрицы-строки с пятью элементами на матрицу-столбец также с пятью элементами и так далее.

Пример 6. Найти скалярные произведения пар векторов

и

,

используя матричное представление.

Решение. Первая пара векторов. Представляем первый вектор в виде матрицы-строки, а второй – в виде матрицы-столбца. Находим скалярное произведение этих векторов как произведение матрицы-строки на матрицу-столбец:

Аналогично представляем вторую пару и находим:

Как видим, результаты получились те же, что и у тех же пар из примера 4.

Решить задачи самостоятельно, а затем посмотреть решения

Пример 12. Среди векторов

Найти а) коллинеарные; б) ортогональные.

Решение.

а) проверим пропорциональность соответствующих координат векторов – условие коллинеарности (повторение материала предыдущей части темы “Векторы”).

Для векторов и :

Равенство не выполняется.

Для векторов и :

Равенство выполняется.

Для векторов и :

Равенство не выполняется.

Наше исследование показало, что коллинеарны векторы и .

б) найдём скалярные произведения векторов.

Наше исследование показало, что ортогональны векторы и и и .

Расчёт работы постоянной силы

Посмотрите ещё раз на рисунок в начале статьи. Пусть материальная точка перемещается прямолинейно из начала координат в конец вектора B под действием постоянной силы F = A, образующей угол с перемещением S = A.

Из физики известно, что работа силы F при перемещении S равна .

Таким образом, работа постоянной силы при прямолинейном перемещении её точки приложения равна скалярному произведению вектора силы F = B на вектор перемещения S = A.

Скалярное произведение векторов позволяет находить угол между двумя векторами. Поэтому оно часто встречается в последующих разделах математики, особенно, аналитической геометрии.

Стоит ли говорить о том, что нахождение скалярного произведения векторов – фундаментальный навык для любого будущего инженера, проектирующего всё что угодно, от гладильных досок и лестниц-стремянок до зданий, или для программиста, собирающегося разрабатывать игры?

Экономический смысл скалярного произведения векторов

В экономических задачах можно рассматривать скалярное произведение вектора цен p
на вектор объёма проданных товаров x . Скалярное произведение px в этом случае даёт суммарную стоимость проданных товаров x при ценах p .

Например, если объём всех товаров, проданных предприятием, выражается вектором x = (400; 750; 200; 300), элементы которого означают соответственно количество товаров различных групп, а цены в одних и тех же денежных единицах заданы в соответствующем порядке вектором p = (3; 2,1; 1,2; 0,5), то скалярное произведение

выражает суммарную стоимость всех товаров x.

Нет времени вникать в решение? Можно заказать работу! Пройти тест по теме Векторы

с друзьями

Начало темы “Векторы”

Векторы: определения и действия над векторами Сложение векторов: длина суммы векторов и теорема косинусов

Продолжение темы “Векторы”

Линейная зависимость векторов Базис системы векторов. Аффинные координаты Векторное и смешанное произведение векторов

Источник: https://function-x.ru/vectors_scalar.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.