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 сомножителей — новый вектор, у которого[2][3][4]:

  • модуль равен произведению модуля исходного вектора на абсолютную величину числа;
  • направление, совпадающее с направлением исходного вектора, если число положительно, и противоположное, если число отрицательно.
Справа исходный вектор a умножен на положительное число 2, а слева — на отрицательное число –1

Обозначение произведения вектора и скаляра следующее[2][3][4]:

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][4]:

Существуют два действия, обратных умножению вектора на число:

Определение

править

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

 
Умножение вектора a на целое положительное число n
 
Умножение вектора a на целое отрицательное число –n

Умножение вектора   на целое положительное число   равно сложению вектора   с самим собою   раз. В результате возникает новый вектор   с тем же направлением, что и исходный, но в   раз большим модулем[5][6]:

 

Тогда умножение вектора   на целое отрицательное число   равно умножению противоположного вектора   на абсолютную величину целого числа  [7]:

 

Другими словами, в результате возникает новый вектор   с направлением, противоположным исходному вектору   и в   раз большим модулем[2][6].

Обобщая, получаем, что произведение вектора и числа в случае ненулевых сомножителей — новый вектор, у которого[2][3][4]:

  • 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  [2][3][4]:

  или  

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

 

Произведение вектора и числа равно нулевому вектору тогда и только тогда, когда хотя бы один из сомножителей равен нулю[2][3][4]:

 

Законы умножения на скаляр

править

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[2]:

 

Доказательство. По определению произведение вектора на число равно произведению числа на вектор, обе эти операции тождественны[2].

Теорема 2. Закон сочетательности для числовых множителей. Последовательное произведение вектора на несколько чисел равно произведению вектора на произведение чисел[6][8][9]:

 

Теорема 3. Закон двоякой распределительности. Почленно можно вычислять произведения сумм[10][11]:

  • векторов на число (закон распределительности числового сомножителя относительно суммы векторов[1]):
 ;
  • чисел на вектор (закон распределительности векторного сомножителя относительно суммы чисел[1])[6]:
 .

Доказанная формула закона распределительности числового сомножителя относительно суммы векторов

 ;

верна и для нескольких векторов[6]:

 .

Деление векторов

править

Деление вектора на число

править

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 числа. Другими словами, по произведению вектора на число и числу определяется вектор-сомножитель. При этом частное   — это второй вектор   такой, что  [15].

Частное вектора и числа определяется умножением вектора на обратное число[13][16]:

 .

Деление вектора на вектор

править

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[17], 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  [18].

Частное, или отношение,   двух коллинеарных векторов   и  , причём второй вектор ненулевой, вычисляется следующим образом[18][19]:

  •  ;
  •  , 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, тогда их можно обозначить   и  . Частное нулевого вектора и любого другого ненулевого равно нулю. Частное любого вектора и нулевого не определено[19]. Если  , то  [20].

Для любых трёх векторов  ,   и  , причём векторы   и   ненулевые, выполняется следующее равенство[21][20]:

 .

Деление вектора на вектор используется при разложении вектора в одномерном случае[22][23].

Разложение вектора

править

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[6].

Одномерный случай

править
 
Умножение вектора на положительные (синие) и отрицательные (красные) числа: частное синих векторов и чёрного вектора равны 2 и 0,5; частные красных векторов и чёрного вектора равны –1 и –0,4

Векторы Если векторы   и   связаны соотношением

 ,

то они коллинеарны. Обратное утверждение также справедливо по следующей теореме[22].

Теорема 4. Разложение вектора по одному коллинеарному вектору. Любой вектор   можно единственным образом выразить через коллинеарный вектор  [22][23]:

 ,

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

Рассмотрим случай равенства единице модуля одного из коллинеарных векторов, то есть когда этот вектор единичный, или орт. Орт вектора   обозначают   или  [22][24].

Орт вектора   называется также направлением вектора[22].

Теорема 5. Любой вектор равен произведению его орта на его модуль, другими словами, умножение орта вектора на его модуль даёт сам вектор[25][22]:

 .

Эта формула замечательна тем, что в ней оба элемента, которые характеризуют вектор, разделены[22]:

  • модуль вектора  ;
  • направление вектора  .

Двумерный случай

править
 
Разложение вектора по двум векторам

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[22].

Теорема 6. Разложение вектора по двум неколлинеарным векторам, если все три вектора компланарны. Любой вектор   единственным способом выражается через неколлинеарные ненулевые векторы   и  , компланарные исходному[22]:

 .
 
Векторное уравнение прямой

Теорема 7. Уравнение прямой. Уравнение прямой, проходящей через заданную точку   с радиус-вектором   и параллельной заданному вектору  , задаётся следующим радиус-вектором произвольной точки прямой  [28]:

 .

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  .

Доказательство. Рассмотрим вектор  :

 ,

следовательно, вектор   коллинеарен вектору  , и точка   всегда находится на прямой, параллельной вектору   и проходящей через точку  [28].

Трёхмерный случай

править

Теорема 8. Разложение вектора по трём некомпланарным векторам. Любой вектор   трёхмерного пространства единственным способом выражается через некомпланарные ненулевые векторы  [27][29]:

 .

Координаты вектора — числовые коэффициенты   вектора   относительно  [30].

Примечания

править
  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., 1975, с. 23.
  3. 1 2 3 4 5 6 Пытьев Ю. П. Векторная алгебра, 1977, с. 633.
  4. 1 2 3 4 5 6 Пытьев Ю. П. Векторная алгебра, 1988, с. 108.
  5. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 22.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Кочин Г. Ф., 1965, с. 11.
  7. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 22—23.
  8. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 23—24.
  9. 1 2 3 4 Атанасян Л. С. и др., 2014, с. 219.
  10. 1 2 3 4 5 6 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 24.
  11. 1 2 3 4 5 Атанасян Л. С. и др., 2014, с. 219—220.
  12. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 24—25.
  13. 1 2 3 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 25.
  14. Атанасян Л. С. и др., 2014, с. 220.
  15. Выгодский М. Я., 1977, с. 123.
  16. Выгодский М. Я., 1977, , с. 123.
  17. Александров П. С., 1968, с. 18.
  18. 1 2 Выгодский М. Я., 1977, с. 124.
  19. 1 2 Александров П. С., 1968, с. 19.
  20. 1 2 Постников М. М., 1973, с. 27.
  21. Александров П. С., 1968, с. 20.
  22. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Кочин Г. Ф., 1965, с. 12.
  23. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 27.
  24. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 26.
  25. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 26.
  26. 1 2 Кочин Г. Ф., 1965, с. 12—13.
  27. 1 2 3 4 5 6 Кочин Г. Ф., 1965, с. 13.
  28. 1 2 Кочин Г. Ф., 1965, с. 15.
  29. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 30.
  30. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 31.
  31. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 29—30.

Источники

править