Что такое скалярное произведение двух векторов формула

Скалярное произведение векторов: свойства, примеры вычисления, физический смысл

Скалярное произведение векторов называют число, равное произведению дин этих векторов на косинус угла между ними.

При умножении вектора самого на себя, получим квадрат его дины:

Скалярное умножение вектора самого на себя называют скалярным квадратом.

Вычисляется по формуле:

Сформулируем определение произведения для двух векторов:

Скалярное произведение двух векторов a → на b → называют произведение длины вектора a → на проекцию b → на направление a → или произведение длины b → на проекцию a → соответственно.

Скалярное произведение в координатах

Вычисление скалярного произведения можно производить через координаты векторов в заданной плоскости или в пространстве.

для трехмерного пространства применимо выражение:

Фактически это является третьим определением скалярного произведения.

Следует отложить векторы

– соответственно для векторов трехмерного пространства.

Скалярное произведение и его свойства

Свойства объяснимы благодаря определению скалярного произведения на плоскости и свойствам при сложении и умножении действительных чисел.

Дистрибутивность справедлива для любых чисел:

Скалярное произведение с примерами и решениями

Любая задача такого плана решается с применением свойств и формул, касающихся скалярного произведения:

Рассмотрим некоторые примеры решения.

Длина a → равна 3, длина b → равна 7. Найти скалярное произведение, если угол имеет 60 градусов.

По условию имеем все данные, поэтому вычисляем по формуле:

В данном примере рассматривается формула вычисления по координатам, так как они заданы в условии задачи:

Для начала вычисляются координаты векторов, так как по условию даны координаты точек:

Подставив в формулу с использованием координат, получим:

Выносим коэффициент за знак произведения и получим:

По свойству коммутативности преобразуем:

Теперь применим формулу для скалярного произведения с заданным по условию углом:

Если имеется числовая проекция.

Подставив в формулу, получим выражение:

Задачи при известном скалярном произведении, где необходимо отыскать длину вектора или числовую проекцию.

Из формулы видно, что необходимо найти сумму произведений координат:

Физический смысл скалярного произведения

Механика рассматривает приложение скалярного произведения.

При работе А с постоянной силой F → перемещаемое тело из точки M в N можно найти произведение длин векторов F → и M N → с косинусом угла между ними, значит работа равна произведению векторов силы и перемещения:

Источник

Вектор. Скалярное произведение векторов. Угол между векторами.

Скалярным произведением (или внутренним произведением) 2 векторов есть операция с двумя

векторами, итогом чего является число (скаляр), которое не зависит от системы координат и которое

характеризует длины векторов-сомножителей и угол между векторами.

Также скалярным произведением двух векторов называется число, которое

равно произведению модулей 2 векторов на косинус угла между векторами.

Скалярное произведение векторов формула:

Этой операции соответствует умножение длины вектора x на проекцию вектора y на вектор x. Эта

операция зачастую рассматривается как коммутативная и линейная по каждому из сомножителей.

Скалярное произведение векторов ,, обозначается так: (порядок записи сомножителей не имеет

значения, т.е. ).

Еще используются такие обозначения: , , .

В основном имеется ввиду, что скалярное произведение определено положительно, т.е.

при каждом . Если этого не иметь ввиду, то произведение зовется индефинитным

(неопределенным).

Если хотя бы один из 2 векторов или равен нулевому вектору (равен нулю), то .

Свойства скалярного произведения векторов.

1. — симметричность.

2. обозначается и зовется скалярный квадрат.

3. Если , то

4. Если и и и , то . Обратное утверждение тоже соответствует

5.

6.

7.

Если же векторы и заданы своими координатами: , , то: скалярное

произведение векторов, формула:

Формула для определения длины вектора:

Длина (модуль) вектора, с известными координатами, равен квадратному корню из суммы квадратов

Длина вектора , заданного своими координатами, равна:

Как определить угол между 2 векторами:

Как найти угол между двумя векторами , , формула:

Ежели угол меж двумя векторами острый, то их скалярное произведение имеет положительный знак; если

же угол между двумя векторами тупой, то их скалярное произведение имеет отрицательный знак.

Скалярное произведение двух ненулевых векторов равно нулю, тогда и только тогда, когда эти векторы

ортогональны.

Альтернативное определение скалярного произведения векторов (вычисление скалярного

произведения двух векторов, заданных своими координатами).

Вычислить координаты вектора, если заданы координаты его начала и его конца очень просто. Давайте

рассмотрим этот вопрос:

Исходя из этого, координаты вектора АВ:

Точно так же и в двухмерном пространстве – разница в отсутствии третьих координат.

Итак, предположим, даны два вектора, которые заданы набором координат своих точек:

а) В двухмерном пространстве (плоскость):

Значит, скалярное произведение этих векторов вычислим по формуле:

б) В трехмерном пространстве:

Как и в двухмерном случае, скалярное произведение двух векторов вычисляем по формуле:

Источник

Геометрия. 11 класс

Конспект урока

Геометрия, 11 класс

Урок № 2. Скалярное произведение векторов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

— ввести понятие угла между векторами и скалярного произведения векторов, рассмотреть формулу скалярного произведения в координатах;

— показать применение скалярного произведения векторов при решение задач.

— рассмотреть основные свойства скалярного произведения;

— сформировать умения вычислять скалярное произведение векторов и находить угол между векторами;

— показать, как используется скалярное произведение векторов при решении задач на вычисление углов между двумя прямыми, а также между прямой и плоскостью.

Два вектора называются перпендикулярными, если угол между ними равен 90°.

Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними.

Формула вычисления скалярного произведения векторов по определению:

Формула вычисления скалярного произведения векторов через координаты:

Открытые электронные ресурсы:

Решу ЕГЭ образовательный портал для подготовки к экзаменам https://ege.sdamgia.ru/

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Работа по теме урока. Объяснение новой темы

Угол между векторами

Если векторы не являются сонаправленными, то лучи ОА и ОB образуют угол АОВ.

Определение: Два вектора называются перпендикулярными, если угол между ними равен 90°.

Скалярное произведение векторов:

Определение: Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Запишем формулу:

Утверждение1. Скалярное произведение ненулевых векторов равно нулю тогда и только тогда, когда эти векторы перпендикулярны.

Утверждение2. Скалярный квадрат вектора равен квадрату его длины.

Формула скалярного произведения двух векторов и

Через их координаты

Скалярное произведение двух векторов равно сумме произведений соответствующих координат этих векторов.

Угол между векторами.

Косинус угла между векторами пространства , заданными в ортонормированном базисе , выражается формулой:

Сформулируем основные свойства скалярного произведения векторов.

Для любых векторов и любого числа k справедливы равенства:

1) причем при

2) (переместительный закон).

3) (распределительный закон).

4) (сочетательный закон).

Вычисление углов между прямыми и плоскостями.

Угол между двумя прямыми (пересекающимися или скрещивающимися), если известны координаты направляющих векторов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

Дано: прямоугольный параллелепипед, где . Найти и .

Решение: ранее в таких случаях мы пытались по рисунку находить величины углов.

Но теперь мы владеем формулой косинуса угла между прямыми.

Для удобства изобразим прямоугольную систему координат так, чтобы точка B совпадала с точкой начала координат. Взяв длину рёбер AB и BC за единичные отрезки, можно утверждать, что длина отрезка BB равна 2.

Тогда не трудно определить координаты точек B, D, C и D₁.

Теперь не трудно найти координаты векторовBD и CD как разности соответствующих координат конца и начала вектора.

Получаем, что вектор BD <1-0;1-0;0-0>. А вектор

Теперь можем воспользоваться формулой косинуса угла между прямыми. Подставим координаты направляющих векторов.

Ответ:

Найдите: косинус угла между прямыми DC и CM (СМ – высота треугольника АВС), поставьте ему в соответствие верный вариант ответа из предложенных ниже:

Треугольник АВС правильный, поэтому тоска М является серединой стороны АВ.

Введем систему координат как показано на рисунке.

Найдем координаты векторов

Применив формулу косинуса угла между векторами, получим .

Ответ:

Источник

Скалярное, смешанное и векторное произведения

Скалярное произведение.

Под углом между векторами мы понимаем угол между векторами, равными данным и имеющими общее начало. В некоторых случаях мы будем указывать, от какого вектора и в каком направлении угол отсчитывается. Если такого указания не сделано, углом между векторами считается тот из углов, который не превосходит \(\pi\). Если угол прямой, то векторы называются ортогональными.

Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Если хоть один из векторов нулевой, то угол не определен, и скалярное произведение по определению равно нулю.

Необходимо подчеркнуть следующее принципиальное обстоятельство: скалярное произведение может быть определено только после того, как будет выбрана определенная единица измерения длин векторов. Иначе приведенное выше определение не имеет смысла.

Скалярное умножение имеет следующие очевидные свойства.

Аналогично вычисляются и остальные компоненты.

Рис. 4.1

Легко показать, что такая же формула справедлива и для линейной комбинации любого числа векторов. Используя коммутативность скалярного умножения, мы получаем тождество
$$
(\boldsymbol, \beta\boldsymbol + \gamma\boldsymbol) = \beta(\boldsymbol, \boldsymbol) + \gamma(\boldsymbol, \boldsymbol).\nonumber
$$

Отметим, что требование ортонормированности базиса очень существенно. В произвольном базисе выражение скалярного произведения через компоненты гораздо сложнее. Поэтому в задачах, связанных со скалярным произведением, чаще всего используются ортонормированные базисы.

Если почему-либо все же надо вычислить скалярное произведение в неортонормированном базисе, следует перемножить разложения сомножителей по базису и, раскрыв скобки, подставить в полученное выражение известные скалярные произведения базисных векторов.

Пусть задан вектор \(\overrightarrow\) и некоторая прямая \(l\). Опустим из точек \(A\) и \(B\) перпендикуляры на прямую и обозначим их основания \(A’\) и \(B’\) (рис. 4.2). Вектор \(\overrightarrow\) называется (ортогональной) векторной проекцией вектора \(\overrightarrow\) на прямую \(l\) и обозначается Пр\(_\overrightarrow\).

Рис. 4.2

Из определения сразу следует, что векторные проекции равных векторов на параллельные прямые равны между собой.

Пусть \(\boldsymbol\) — ненулевой вектор на прямой \(l\). Тогда \(\overrightarrow = \alpha\boldsymbol\) при некотором \(\alpha\). Представим \(\overrightarrow\) в виде \(\overrightarrow = \overrightarrow = \alpha\boldsymbol + \boldsymbol\) и заметим, что вектор \(\boldsymbol = \overrightarrow\) ортогонален \(\boldsymbol\). Поэтому после скалярного умножения на \(\boldsymbol\) получаем \((\overrightarrow, \boldsymbol) = \alpha(\boldsymbol, \boldsymbol)\). Находя отсюда \(\alpha\), имеем
$$
\mbox<Пр>_\overrightarrow = \frac<(\overrightarrow, \boldsymbol)><|\boldsymbol|^<2>>\boldsymbol.\label
$$
Хотя на вид это выражение зависит от \(\boldsymbol\), фактически оно не меняется при замене \(\boldsymbol\) любым ненулевым вектором \(\lambda\boldsymbol\), коллинеарным \(\boldsymbol\).

Проекцию \(\overrightarrow\) можно представить в виде
$$
\frac<(\overrightarrow, \boldsymbol)><|\boldsymbol|> \frac<\boldsymbol><|\boldsymbol|>\nonumber
$$
и заметить, что \((\overrightarrow, \boldsymbol)/|\boldsymbol|\) — это компонента \(\overrightarrow\) по вектору \(\boldsymbol^ <0>= \boldsymbol/|\boldsymbol|\). Так как \(|\boldsymbol^<0>| = 1\), компонента по абсолютной величине равна длине \(\overrightarrow\). Она положительна, если направление \(\overrightarrow\) совпадает с направлением \(\boldsymbol\), и отрицательна в противоположном случае.

Величина \((\overrightarrow, \boldsymbol)/|\boldsymbol|\) не меняется при замене \(\boldsymbol\) на сонаправленный вектор \(\lambda\boldsymbol\), \(\lambda > 0\), и меняет знак при замене \(\boldsymbol\) на противоположно направленный вектор.

Прямая линия называется направленной прямой (употребляются также термины ориентированная прямая и ось), если на ней указано определенное направление. Подробнее это определение рассматривается в начале следующего раздела.

Число \((\overrightarrow, \boldsymbol)/|\boldsymbol|\) называется скалярной проекцией вектора \(\overrightarrow\) на ось \(l\), определяемую вектором \(\boldsymbol\) (или на вектор \(\boldsymbol\)), и обозначается Пр\(_\overrightarrow\) или Пр\(_<\boldsymbol>\overrightarrow\).

Из определения следует, что Пр\(_\overrightarrow = |\overrightarrow| \cos \varphi\), где \(\varphi\) — угол между \(\overrightarrow\) и \(\boldsymbol\). Компоненты вектора в ортонормированном базисе равны его скалярным проекциям на оси координат.

Ориентация прямой, плоскости и пространства.

Выше мы дали определение ориентированной прямой (оси). Скажем о нем подробнее, с тем чтобы аналогично ввести определение ориентированной плоскости и ориентированного пространства.

Все базисы (ненулевые векторы) на прямой разделяются на два класса: векторы из одного класса направлены одинаково, а векторы из разных классов направлены противоположно. Говорится, что прямая ориентирована или что на ней задана ориентация, если из двух классов базисов выбран один. Базисы выбранного класса называются положительно ориентированными или положительными.

Задать ориентацию можно, указав какой-либо базис и считая положительно ориентированными все базисы того же класса. Однако то, что прямая ориентирована, не означает, что на ней выбран какой-то определенный базис.

Два базиса на плоскости называются одинаково ориентированными, если в обоих базисах кратчайший поворот от первого вектора ко второму производится в одну сторону, и противоположно ориентированными в противном случае. Например, на рисунке ниже, базисы в левой части ориентированы одинаково, а на правой части — противоположно. Если фиксировать какой-то базис, то любой другой ориентирован с ним либо одинаково, либо противоположно, и, таким образом, все базисы распадаются на два класса: любые два базиса одного класса ориентированы одинаково, базисы разных классов ориентированы противоположно.

На левом рисунке базисы ориентированы одинаково, а на правом — противоположно.

Плоскость ориентирована, если из двух классов базисов на ней выбран один класс.

Ориентацию можно задать, выбрав базис и считая положительно ориентированными все базисы одного с ним класса. Но, конечно, задание ориентации не предполагает выбор определенного базиса.

В планиметрии часто ориентируют плоскость, считая положительными те базисы, у которых кратчайший поворот от первого вектора ко второму производится против часовой стрелки. Для плоскости в пространстве это соглашение не имеет смысла, так как видимое направление поворота зависит от того, с какой стороны смотреть на плоскость. Но если выбрать одно из полупространств, ограничиваемых плоскостью, и смотреть на повороты именно из него, то класс базиса определяется видимым направлением поворота.

Базис в пространстве называется правым, если (считая векторы имеющими общее начало) с конца третьего вектора мы видим кратчайший поворот от первого вектора ко второму направленным против часовой стрелки. В противном случае базис называется левым (рис. 4.3).

Рис 4.3. Левый базис (а), правый базис (б).

Представим себе, что на рис. 4.4 концы векторов лежат в плоскости рисунка, а их общее начало — за плоскостью. Тогда поворот от вектора \(\boldsymbol_<1>\) к вектору \(\boldsymbol_<2>\) и затем к \(\boldsymbol_<3>\) для правого базиса нам виден против часовой стрелки, а для левого — по часовой стрелке.

Рис 4.3. Левый базис (а), правый базис (б).

Пространство называется ориентированным, если из двух классов базисов (правых или левых) выбран один. Базисы этого класса называются положительно ориентированными.

Далее мы всегда будем выбирать правую ориентацию пространства, считая положительными правые базисы. Но важно помнить, что выбор ориентации мог бы быть противоположным.

Аналогично, в ориентированном пространстве можно внешним образом задать ориентацию прямой линии. Для этого нужно задать ориентацию плоскости, перпендикулярной этой прямой. Положительным базисом на прямой будет такой базис, который вместе с положительным базисом плоскости составляет положительный базис пространства.

Площадь ориентированного параллелограмма, объем ориентированного параллелепипеда.

Если прямая ориентирована, то длине ненулевого вектора на ней можно приписать знак: считать длину положительной, если вектор ориентирован положительно, и отрицательной в противоположном случае. Именно так мы приписываем знак длине векторной проекции, когда определяем скалярную проекцию. Обобщим это определение.

Рассмотрим параллелограмм, построенный на двух векторах так, что две его смежные стороны являются векторами с общим началом. Параллелограмм называется ориентированным, если пара векторов, на которой он построен, упорядочена. На ориентированной плоскости параллелограмм считается положительно или отрицательно ориентированным, смотря по тому, как ориентирована определяющая его пара векторов.

На ориентированной плоскости принято считать площадь ориентированного параллелограмма числом со знаком: она равна площади параллелограмма (положительна), если параллелограмм ориентирован положительно, и равна той же площади со знаком минус, если отрицательно. Мы будем обозначать площадь ориентированного параллелограмма, построенного на векторах \(\boldsymbol\) и \(\boldsymbol\), через \(S_<\pm>(\boldsymbol, \boldsymbol)\).

Рассмотрим теперь параллелепипед, построенный на трех векторах так, что три его ребра, исходящие из одной вершины, являются векторами с общим началом. Параллелепипед называется ориентированным, если эти три ребра упорядочены. В ориентированном пространстве ориентация параллелепипеда положительна или отрицательна смотря по тому, какую тройку образуют векторы, на которых он построен.

В ориентированном пространстве объем ориентированного параллелепипеда — число со знаком: объем положительно ориентированного параллелепипеда считается положительным, а отрицательно ориентированного — отрицательным.

При выбранной нами правой ориентации пространства положительными считаются объемы ориентированных параллелепипедов, построенных на правых тройках векторов.

Смешанное произведение.

Если пространство ориентировано, мы можем ввести следующее определение.

Источник