Această pagină se poate vedea mai bine în format MonoBook.
1. Spațiul euclidian
În acest capitol se vor considera operaţiile cu vectori în spaţiul bidimensional şi cel tridimensional şi ulterior se vor generaliza aceste noţiuni pentru spaţiul n-dimensional, la care se va adăuga studiul matricelor.
1.1 Vectori în spaţiul bi- şi tridimensional
Un punct din plan poate fi reprezentat printr-o pereche de numere reale unde sunt coordonatele carteziene ale lui
Dacă este originea axelor de coordonate , se mai numesc şi componentele vectorului
Se mai notează şi
În spaţiu, în locul expresiei "punctulde coordonate" se va spune mai simplu "punctul"
se mai numeşte şi coordonata x, coordonata y, iar coordonata z.
Se va nota prin mulţimea n-uplurilor cu
Adunarea vectorilor şi înmulţirea acestora cu scalari
Operaţia de adunare poate fi extinsă de pe pe şi
Astfel, pe se defineşte suma tripletelor şi
Elementul este numit elementul zero (sau chiar zero) al lui
Dându-se punctul elementul este numit inversul sau negativul şi se poate scrie:
Un vector adunat cu inversul acestuia ne dau zero:
O altă operaţie pe este înmulţirea unui vector cu un scalar, unde prin scalar se înţelege număr real.
Astfel, dându-se un scalar şi un vector se defineşte produsul scalar prin:
Adunarea şi înmulţirea cu scalari a vectorilor din satisfac proprietăţile:
(i) (asociativitate)
(ii) (distributivitate)
(iii) (distributivitate)
(iv) (element nul)
(v) (element nul)
(vi) (element unitate)
Exemplu.
Ecuaţia chimică poate fi scrisă ca o relaţie algebrică între perechi ordonate:
O altă operaţie cu vectori este produsul scalar despre care se va discuta la secţiunea 1.2.
Geometria operaţiilor vectoriale
Se consideră vectorul ca fiind un segment orientat cu originea în originea axelor de coordonate, extremitatea în punctul şi de lungime egală cu modulul vectorului.
Se notează
Un vector este numit vector legat când originea sa este fixată în originea axelor de coordonate şi vector liber (pe scurt vector) când nu există restricţii privind poziţia originii acestuia.
Doi vectori şi sunt egali dacă şi numai dacă şi
În plan, adunarea a doi vectori mai poate fi realizată şi cu regula paralelogramului.
Astfel, dacă sunt laturile alăturate ale unui paralelogram, atunci vectorul sumă este diagonala paraleogramului care porneşte din originea comună a celor doi vectori.
Acest mod de vizualizare geometric este util în multe probleme de fizică.
De exemplu, se consideră zborul unui avion sau al unei păsări în aer cu viteza în prezenţa unui vânt, de altă direcţie, cu viteza vezi figura de mai jos:
Pentru a demonstra că definiţia geometrică a adunării este consistentă cu definiţia algebrică a acesteia, vom considera cazul plan şi fie vectorul cu extremitatea în punctul şi vectorul cu extremitatea în
Se trasează paralelogramul
Pentru a se demonstra că valorile coordonatelor punctului sunt se va ţine cont că triunghiurile şi sunt congruente.
Rezultă că este dreptunghi şi că
Vectorii se pot aduna şi după regula triunghiului:
Se translatează vectorul cu originea în extremitatea vectorului
Vectorul rezultant uneşte originea lui cu extrmitatea lui translatat.
În ceea ce priveşte reprezentarea geometrică a înmulţirii cu scalari, vectorul este un vector de ori mai lung decât şi având acelaşi sens dacă şi sens contrar dacă
Dacă şi sunt doi vectori legaţi, atunci vectorul diferenţă uneşte vârful lui cu cel al lui
Versorii axelor de coordonate
Un modalitate eficientă de a descrie un vector în spaţiu o constituie utilizarea versorilor axelor de coordonate, vectori de modul unitar şi orientaţi de-a lungul fiecărei axe:
Astfel dacă este un vector legat cu componentele atunci se poate scrie:
Adunarea vectorilor şi înmulţirea cu scalari poate fi scrisă acum:
Vectorul care uneşte două puncte
Pentru a aplica teoria vectorială în studiul problemelor de geometrie, este util să asociem unui vector o pereche de puncte în spaţiu astfel:
Dându-se două puncte şi trasăm un vector cu originea în şi extremitatea în pe care îl notăm
Dacă şi atunci vectorii şi sunt şi .
Aşadar, vectorul care uneşte punctul cu are componentele
Teoreme din geometrie tratate vectorial
Multe din teoremele geometriei clasice pot fi demonstrate vectorial.
Exemplu.
Demonstraţia vectorială a faptului că diagonalele unui paralelogram se intersectează în mijloacele acestora.
Fie paralelogramul cu laturile alăturate reprezentate prin vectorii şi
Fie mijlocul diagonalei mijlocul diagonalei
Se observă că conform regulii paraleogramului, deci
Pe de altă parte,
deci
şi de aici
Deoarece vectorii şi sunt egali rezultă că punctele şi coincid.
Ecuaţia dreptei
Utilizând interpretarea geometrică a adunării vectorilor şi înmulţirii acestora cu scalari, vom găsi ecuaţia dreptei care trece prin vârful vectorului şi are direcţia dată de vectorul
Ecuaţia dreptei este:
unde este un parametru.
Dacă şi atunci ecuaţiile parametrice ale dreptei sunt:
Exemple.
a) Să se determine ecuaţia dreptei care trece prin punctul şi are direcţia
b) Care este vectorul director al dreptei
c) Se intersectează dreptele şi
Soluţie.
a) Avem şi deci
Ecuaţiile sunt:
b) Conform formulelor indicate:
c) Dacă dreptele se intersectează, există astfel încât:
şi obţinem sistemul de ecuaţii:
Din a treia ecuaţie şi atunci din prima rezultă
Atunci ecuaţia a treia nu se verifică, deci dreptele nu se intersectează.
Observaţie.
Ecuaţia vectorială a unei drepte poate avea mai multe forme.
Astfel, dacă în locul vectorului este ales vectorul (şi extremitatea acestuia aparţine dreptei), atunci ecuaţia parametrică devine:
Dacă în locul vectorului este considerat vectorul , unde ecuaţia devine:
Să determinăm ecuaţia vectorială a dreptei care trece prin extremităţile a doi vectori diferiţi
Deoarece vectorul este paralel cu dreapta, ecuaţia dreptei este:
Aşadar, dreapta care trece prin punctele şi are ecuaţiile parametrice:
Eliminând parametrul ecuaţiile mai pot fi scrise:
Exemple.
a) Să se determine ecuaţiile parametrice ale dreptei care trece prin punctele şi
b) Să se determine vectorii de poziţie ai paralelogramului având ca laturi alăturate vectorii şi ambii cu originea în
Soluţie.
a)
b)
Se construiesc dreptele şi care trec prin şi sunt paralele cu vectorii respectiv
Se va deduce că unde
Aşa cum două drepte diferite care trec prin originea axelor determină un plan, în mod similar doi vectori neparaleli determină un plan.
Acest plan este mulţimea punctelor având ca vector de poziţie unde
1.2 Produs scalar, lungime, distanţă
Produsul scalar
Considerăm vectorii şi dorim să determinăm unghiul dintre aceştia adică unghiul format de direcţiile acestora în planul determinat de vectori.
Dacă şi atunci definim produsul scalar dintre cei doi vectori, notat ca fiind:
Observaţii.
1) Rezultatul produsului scalar este un scalar, de unde şi denumirea.
2) Produsul scalar dintre şi mai poate fi notat şi
Exemplu.
Calculaţi
Soluţie.
Proprietăţile produsului scalar rezultă chiar din definiţie.
Astfel, dacă şi atunci:
(i)
dacă şi numai dacă
(ii) şi
(iii) şi
(iv)
Pentru a demonstra prima proprietate, se va observa că dacă atunci
Deoarece avem şi deci
Mai departe, dacă atunci deci (vector nul).
Celelalte proprietăţi sunt uşor de demonstrat.
Din teorema lui Pitagora rezultă că lungimea vectorului este
Lungimea unui vector se notează cantitate care mai este numită şi norma lui
Deoarece rezultă că:
Vectorii cu norma 1 sunt numiţi vectori unitari.
Astfel de vectori sunt
Se remarcă faptul că, pentru orice vector nenul vectorul este vector unitar, numit vectorul normalizat.
Exemple.
1) Să se normalizeze vectorul
2) Să se găsească trei vectori unitari în plan astfel încât
Soluţie.
1) Avem
deci normalizarea lui este:
2)
Deoarece cei trei vectori au lungimea 1, triunghiul cu laturile este echilateral.
Orientăm triunghiul ca în figură astfel încât şi deci
În plan, vectorul unitar care formează unghiul cu axa este:
Distanţa
Dacă sunt vectori, atunci vectorul este paralel şi are modulul egal cu lungimea segmentului determinat de extremităţile vectorilor
Deci această distanţă este
Rezumat
Dacă produsul scalar al acestora este:
iar lungimea lui este:
Pentru a normaliza vectorul se formează vectorul
Distanţa dintre extremităţile vectorilor este iar distanţa dintre este
Unghiul dintre doi vectori
Teorema 1.
Fie vectorii şi fie unghiul dintre vectori.
Atunci
Rezultă că, dacă vectorii sunt nenuli, unghiul dintre aceştia este:
Demonstraţie.
Se aplică teorema cosinusurilor pentru triunghiul cu vârful în origine şi celelalte vârfuri în extremităţile vectorilor:
Deoarece putem să scriem:
Putem de asemenea să dezvoltăm după cum urmează:
Deci
ceea ce înseamnă că:
Exemplu.
Să se determne unghiul dintre vectorii şi
Soluţie.
Conform teoremei 1 avem
deci:
de unde
ceea ce înseamnă că:
Inegalitatea Cauchy-Schwarz
O consecinţă importantă a teoremei 1 este:
Corolar: Inegalitatea Cauchy-Schwarz.
Pentru orice doi vectori avem:
cu egalitate dacă şi numai dacă este multiplu scalar de sau unul dintre cei doi vectori este nul.
Demonstraţie.
Dacă nu este multiplu scalar de atunci unghiul dintre vectori nu este zero sau deci şi are loc inegalitatea.
În caz contrar, şi are loc egalitatea.
Consecinţă.
Dându-se doi vectori nenuli, produsul scalar al acestora este zero dacă şi numai dacă vectorii sunt perpendiculari (ortogonali).
Vectorii bazei standard, sunt ortogonali între ei şi de lungime unitară.
Un astfel de sistem se numeşte ortonormat.
Se adoptă convenţia ca vectorul nul să fie ortogonal cu orice vector.
Exemplu.
Vectorii şi sunt ortogonali deoarece:
Exemplu.
Fie doi vectori nenuli ortogonali.
Dacă este un vector situat în planul determinat de atunci există scalarii astfel încât
Utilizaţi produsul scalar pentru determinarea lui