Умножение вектора на число

Умноже́ние ве́ктора на число́, или умноже́ние ве́ктора на скаля́р (англ. scalar multiplication of a vector) — операция, ставящая в соответствие вектору и числу — скаляру — другой коллинеарный вектор — произведение вектора на это число[1]. При этом произведение вектора и числа в случае ненулевых вектора и числа — новый вектор, у которого[2][3]:

  • модуль равен произведению модуля исходного вектора на абсолютную величину числа;
  • направление, совпадающее с направлением исходного вектора, если число положительно, и противоположное, если число отрицательно (см. рисунок справа).

Обозначение произведения вектора и скаляра следующее[2][3]:

или

В итоге получаем[2]:

Произведение вектора и числа равно нулевому вектору тогда и только тогда, когда хотя бы один из сомножителей равен нулю[2][3]:

Существуют два действия, обратных умножению вектора на число:

Определение

Умножение вектора на число — операция, ставящая в соответствие вектору и числу другой коллинеарный вектор — произведение вектора на это число[1].

undefined
undefined

Вполне естественно, что умножение вектора на целое положительное число  — то же самое, что сложение вектора с самим собою раз подряд (см. рисунок справа). В результате такой операции возникает новый вектор с тем же направлением, что и исходный вектор , но в раз большим модулем[4][5]:

Тогда умножение вектора на целое отрицательное число  — то же самое, что умножение противоположного вектора на абсолютную величину целого числа (см. рисунок справа)[6]:

Другими словами, в результате такой операции возникает новый вектор с направлением, противоположным исходному вектору и в раз большим модулем[2][5].

Обобщая эти частные определения, получаем, что произведение вектора и числа в случае ненулевых вектора и числа — новый вектор, у которого[2][3]:

  • модуль равен произведению модуля исходного вектора на абсолютную величину числа;
  • направление, совпадающее с направлением исходного вектора, если число положительно, и противоположное, если число отрицательно.

Обозначения произведения вектора и скаляра приняты такие[2][3]:

или

Отсюда следует, что модуль произведения вектора и скаляра равен произведению их модулей[2]:

По поводу нулевых значений верно, что произведение вектора и числа равно нулевому вектору тогда и только тогда, когда хотя бы один из сомножителей равен нулю[2][3]:

Орт вектора (или единичный вектор) — это вектор, длина (модуль) которого равна единице. Он используется для указания направления вектора, не зависящего от его длины.

Законы умножения на скаляр

Три закона умножения вектора на скаляр те же самые, что и законы умножения чисел[2]:

;
;
;
.

Теорема 1. Закон переместительности. Произведение вектора на число не изменяется при перестановке сомножителей местами[2]:

Доказательство. По определению произведение вектора на число то же самое, что и произведение числа на вектор, обе эти операции тождественны[2].

Теорема 2. Закон сочетательности для числовых множителей. Последовательное произведение вектора на несколько чисел то же самое, что произведение этого вектора на произведение этих чисел[5][7]:

Теорема 3. Закон двоякой распределительности. Почленно можно вычислять[8]:

  • произведение суммы векторов на число (закон распределительности числового сомножителя относительно суммы векторов[1]):
;
  • произведение суммы чисел на вектор (закон распределительности векторного сомножителя относительно суммы чисел[1][5]):
.

Доказанная формула закона распределительности числового сомножителя относительно суммы векторов

;

верна и для нескольких векторов[5]:

.

Разложение вектора

Геометрическое вычитание векторов — операция, обратная геометрическому сложению векторов. Кроме неё, обратной операцией к сложению векторов является геометрическое разложение вектора, или просто разложение вектора — операция представления данного вектора в виде замыкающей нескольких векторов. Геометрически строится ломаная линия, которую замыкает данный вектор. Но так эту операцию определить нельзя, и чтобы её определить, нужно наложить на геометрические слагаемые определённые условия, которые рассматриваются в следующих трёх разделах[5].

Одномерный случай

undefined

Векторы Если векторы и связаны соотношением

,

то они коллинеарны. Обратное утверждение также справедливо, как показывает следующая теорема[11].

Теорема 4. Разложение вектора по одному коллинеарному вектору. Любой вектор можно единственным образом выразить через коллинеарный вектор по следующей формуле[11][12]:

,

где  — число, которые вычисляется так, как показано в предыдущем разделе Деление векторов.

На рисунке справа:

  • частное синих векторов и чёрного вектора равны 2 и 0,5;
  • частные красных векторов и чёрного вектора равны −1 и −0,4.

Особенно важен частный случай равенства единице модуля одного из коллинеарных векторов, то есть когда этот вектор является единичным вектором, или ортом. Орт вектора обозначают или [11][13].

Орт вектора называется также направлением вектора[11].

Теорема 5. Любой вектор равен произведению его орта на его модуль, другими словами, умножение орта вектора на его модуль даёт сам вектор[13][11]:

.

Эта формула замечательна тем, что в ней два элемента, которые характеризуют вектор, разделены[11]:

  • модуль вектора ;
  • направление вектора .

Двумерный случай

undefined

Если два вектора и не коллинеарны, то третий вектор — сумма векторов

будет всегда параллелен плоскости, которую определяют векторы и , то есть эти три вектора компланарны, так как геометрическая сумма векторов, лежащих в одной плоскости, лежит в той же плоскости. Обратное утверждение также справедливо, как показывает следующая теорема[11]. Неколлинеарные векторы — геометрические векторы, которые не лежат на одной прямой и не лежат на параллельных прямых.

Теорема 6. Разложение вектора по двум неколлинеарным векторам, если все три вектора компланарны. Любой вектор можно единственным образом выразить через неколлинеарные и ненулевые векторы и , которые компланарны исходному вектору , по следующей формуле[11]:

.
undefined

Теорема 7. Уравнение прямой. Уравнение прямой, проходящей через заданную точку с радиус-вектором и параллельной заданному вектору , задаётся следующим радиус-вектором произвольной точки прямой (см. рисунок справа)[16]:

.

Другими словами, радиус-вектор произвольной точки заданной прямой (относительно произвольной фиксированной точки ) разлагается на сумму радиус-вектора заданной точки прямой и направляющего вектора прямой с числовым коэффициентом (см. рисунок справа).

Доказательство. Рассмотрим вектор :

,

следовательно, вектор коллинеарен вектору , и точка всегда находится на прямой, параллельной вектору и проходящей через точку [16].

Трёхмерный случай

Теорема 8. Разложение вектора по трём некомпланарным векторам. Любой вектор трёхмерного пространства можно единственным образом выразить через некомпланарные и ненулевые векторы , и по следующей формуле[15][17]:

.

Числовые коэффициенты , и называются координатами вектора относительно векторов , и [18].

Деление векторов

Деление вектора на число

Деление вектора на число (англ. scalar division of a vector) — первая операция, обратная умножению вектора на число, ставящая в соответствие вектору и числу другой коллинеарный вектор — частное вектора и этого число, другими словами, по произведению вектора на число и этому числу определяется вектор-сомножитель. При этом частное  — это второй вектор такой, что [20].

Частное вектора и числа определяется умножением вектора на обратное число[10][20]:

.

Деление вектора на вектор

Рассмотрим другую взаимную связь коллинеарных векторов. Деление вектора на вектор (англ. vector division), причём второй вектор ненулевой, — вторая операция, обратная умножению вектора на число, ставящая в соответствие двум коллинеарным векторам, причём второй вектор ненулевой, число — частное, или отношение[21], двух коллинеарных векторов, другими словами, по произведению ненулевого вектора на число и второму коллинеарному вектору определяется число-сомножитель. При этом частное  — это число такое, что [22].

Частное, или отношение двух коллинеарных векторов и , причём второй вектор ненулевой, вычисляется следующим образом[22][23]:

  • ;
  • , если векторы и сонаправлены, , если векторы и противоположно направлены, и , если .

Частное равных векторов равно 1. Два вектора взаимно противоположны, если их частное равно −1, и их можно обозначить и . Частное нулевого вектора и любого другого ненулевого равно нулю. Частное любого вектора и нулевого не определено[23]. Если , то [24].

Для любых трёх векторов , и , причём векторы и ненулевые, выполняется следующее равенство[25][24]:

.

Деление вектора на вектор используется при разложении вектора в одномерном случае.

Примечания

  1. 1 2 3 4 Умножение вектора на число, 1984.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 23.
  3. 1 2 3 4 5 6 Пытьев Ю. П. Векторная алгебра, 1977, с. 633.
  4. Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 22.
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Кочин Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1965, § 2. Сложение… векторов.…, с. 11.
  6. Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 22—23.
  7. Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 23—24.
  8. 1 2 3 4 5 6 Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 24.
  9. 1 2 Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 24—25.
  10. 1 2 3 Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 25.
  11. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Кочин Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1965, § 2. Сложение… векторов.…, с. 12.
  12. Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 5. Линейные зависимости между векторами, с. 27.
  13. 1 2 Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 4. Умножение и деление вектора на скаляр, с. 26.
  14. 1 2 Кочин Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1965, § 2. Сложение… векторов.…, с. 12—13.
  15. 1 2 3 4 5 6 Кочин Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1965, § 2. Сложение… векторов.…, с. 13.
  16. 1 2 Кочин Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1965, § 2. Сложение… векторов.…, с. 15.
  17. 1 2 Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 5. Линейные зависимости между векторами, с. 30.
  18. Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 5. Линейные зависимости между векторами, с. 31.
  19. 1 2 Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления, 1975, Глава I. Линейные операции над векторами. § 5. Линейные зависимости между векторами, с. 29—30.
  20. 1 2 Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике, 1977, § 89. Умножение и деление вектора на число, с. 123.
  21. Александров П. С. Лекции по аналитической геометрии, 1968, Глава II. Координаты на прямой. § 2. Направленные отрезки (векторы); их отношение, с. 18.
  22. 1 2 Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике, 1977, § 89. Умножение и деление вектора на число, с. 124.
  23. 1 2 Александров П. С. Лекции по аналитической геометрии, 1968, Глава II. Координаты на прямой. § 2. Направленные отрезки (векторы); их отношение, с. 19.
  24. 1 2 Постников М. М. Аналитическая геометрия, 1973, Глава I. Векторное исчисление. § 2. Векторы на прямой. 3. Отношение векторов на прямой;, с. 27.
  25. Александров П. С. Лекции по аналитической геометрии, 1968, Глава II. Координаты на прямой. § 2. Направленные отрезки (векторы); их отношение, с. 20.

Литература

Дополнительно по теме

Категории