Векторы могут быть графически представлены направленными отрезками. Длина выбирается по определенной шкале, чтобы обозначить величину вектора , а направление отрезка представляетнаправление вектора . Например, если мы примем, что 1 см представляет 5 км/час, тогда северо-восточный ветер со скоростью 15 км/час будет представлен направленным отрезком длиной 3 cм, как показано на рисунке.

Вектор на плоскости это направленный отрезок. Два вектора равны если они имеют одинаковуювеличину и направление .

Рассмотрим вектор, нарисованный из точки A к точке B. Точка называется начальной точкой вектора, а точка B называется конечной точкой . Символическим обозначением для этого вектора есть (читается как “вектора AB”). Векторы также обозначается жирными буквами, такими как U, V и W. Четыре вектора на рисунке слева имеют одинаковую длину и направление. Поэтому они представляют равные веторы; то есть,

В контексте векторов мы применяем = чтобы обозначить их равность.

Длина, или величина выражается как ||. Для того, чтобы определить, равны ли векторы, мы находим их величины и направления.

Пример 1 Векторы u, , w показаны на рисунке внизу. Докажите, что u = = w.

Решение Сначала мы находим длину каждого вектора с использованием формулы расстояния:
|u| = √ 2 + (4 - 3) 2 = √9 + 1 = √10 ,
|| = √ 2 + 2 = √9 + 1 = √10 ,
|w| = √(4 - 1) 2 + [-1 - (-2)] 2 = √9 + 1 = √10 .
Отсюда
|u| = | = |w|.
Векторы u, , и w, как видно из рисунка, вроде бы имеют одно и то же направление, но мы проверим их наклон. Если прямые, на которых они находятся, имеют одинаковые наклоны, то векторы имеют одно и то же направление. Рассчитываем наклоны:
Так как u, , и w имеют равные величины и одно и то же напраывление,
u = = w.

Имейте в виду, что равность векторов требует только одинаковой величины и одинакового направления, а не расположения в одном месте. На самом верхнем рисунке - пример равности векторов.

Предположим, что человек делает 4 шага на восток, а затем 3 шага на север. Тогда человек будет в 5 шагах от начальной точки в направлении, показанном слева. Вектор в 4 единицы длиной и с направление направо представляет 4 шага на восток и вектор 3 единицы длиной направление вверх представляет 3 шага на север. Сумма двух этих векторов есть вектор 5-ти шагов величины и в показанном направлении. Сумма также называется результирующим двух векторов.

В общем, два ненулевых вектора u и v могут быть сложены геометрически расположением начальной точки вектора v в конечную точку вектора u, и затем нахождением ветора, который имеет ту же самую начальную точку, что и вектор u и ту же самую конечную точку что и вектор v, как показано на рисунке внизу.

Суммой есть вектор, представленный направленным отрезком из точки A вектора u в конечную точку C вектора v. Таким образом, если u = и v = , тогда
u + v = + =

Мы также можем описать сложение векторов как совместное размещение начальных точек векторов, построением параллелограмма и нахождением диагонали параллелограмма. (на рисунке внизу.) Это сложение иногда называется как правило параллелограмма сложения векторов. Векторное сложение коммутативно. Как показано на рисунке, оба вектора u + v и v + u представлены одним и тем же направленным отрезком.

Если две силы F 1 и F 2 действуют на один объект, результирующая сила есть сумма F 1 + F 2 этих двух отдельных сил.

Пример Две силы в 15 ньютонов и 25 ньютонов действуют на один объект перпендикулярно друг другу. Найдите их сумму, или результирующую силу и угол, которая она образовывает с большей силой.

Решение Нарисуем условие задачи, в этом случае - прямоугольник, используя v или для представления результирующей. Чтобы найти ее величину, используем теорему Пифагора:
|v| 2 = 15 2 + 25 2 Здесь |v| обозначает длину или величину v.
|v| = √15 2 + 25 2
|v| ≈ 29,2.
Чтобы найти направление, отметим, что так как OAB есть прямым углом,
tanθ = 15/25 = 0,6.
Используя калькулятор, мы находим θ, угол, который большая сила образует с результирующей силой:
θ = tan - 1 (0,6) ≈ 31°
Результирующая имеет величину 29,2 и угол 31° с большей силой.

Пилоты могут корректировать направление их полёта, если есть боковой ветер. Ветер и скорость самолёта могут быть изображены как веторы.

Пример 3. Скорость самолёта и направление. Самолёт движется по азимуту 100° со скоростью 190 км/час, в то время как скорость ветра 48 км/ч, а его азимут - 220°. Найдите абсолютную скорость самолета и направление его движения с учетом ветра.

Решение Сначала сделаем рисунок. Ветер представлен и вектор скорости самолета есть . Результирующий вектор скорости есть v, сумма двух векторов. Угол θ между v и называется угол сноса .


Обратите внимание, что величина COA = 100° - 40° = 60°. Тогда величина CBA также равна 60° (противоположные углы параллклограмма равны). Так как сумма всех углов параллелограмма равна 360° и COB и OAB имеют одну и ту же величину, каждый должен быть 120°. По правилу косинусов в OAB, мы имеем
|v| 2 = 48 2 + 190 2 - 2.48.190.cos120°
|v| 2 = 47,524
|v| = 218
Тогда, |v| равно 218 км/ч. Согласно правилу синусов , в том же самом треуголнике,
48 /sinθ = 218 /sin120° ,
или
sinθ = 48.sin120°/218 ≈ 0,1907
θ ≈ 11°
Тогда, θ = 11°, к ближайшему целому углу. Абсолютная скорость равна 218 км/ч, и направление его движения с учетом ветра: 100° - 11°, или 89°.

Если нам задан вектор w, мы можем найти два других вектора u и v, сумма которых есть w. Векторы u и v называются компонентами w и процесс их нахождения называется разложением , или представлением вектора его векторными компонентами.

Когда мы раскладываем вектор, обычно мы ищем перпендикулярные компоненты. Очень часто, однако, одна компонента будет параллельной оси x, и другая будет параллельна оси y. Поэтому, они часто называются горизонтальными и вертикальными компонентами вектора. На рисунке внизу вектор w = разложен как сумма u = и v = .

Горизонтальная компонента w есть u и вертикальная компонента - v.

Пример 4 Вектор w имеет величину 130 и наклон 40° относительно горизонтали. Разложите вектор на горизонтальные и вертикальные компоненты.

Решение Сначала мы нарисуем рисунок с горизонтальными и вертикальными векторами u и v, чья сумма есть w.

Из ABC, мы находим |u| и |v|, используя определения косинуса и синуса:
cos40° = |u|/130, или |u| = 130.cos40° ≈ 100,
sin40° = |v|/130, или |v| = 130.sin40° ≈ 84.
Тогда, горизонтальная компонента w есть 100 направо и вертикальная компонента w есть 84 вверх.

«Геометрия «Площадь трапеции»» - Подумай. Площадь трапеции. AH =. 1. AD = 4 см. Основание. Найдите площадь трапеции ABCD. Найдите площадь прямоугольной трапеции. Геометрия. Повторить доказательство теоремы. Разбивают многоугольник на треугольники. Задание с решением.

«Определение осевой симметрии» - Постройте точки А" и В". Осевая симметрия. Фигура. Пропущенные координаты. Построение отрезка. Отрезок. Ось симметрии. Симметрия в поэзии. Построение треугольника. Точки, лежащие на одном перпендикуляре. Построение точки. Симметрия. Треугольники. Постройте треугольники. Изобразите точку. Постройте точки. Фигуры, обладающие одной осью симметрии. Прямая. Фигуры, обладающие двумя осями симметрии. Симметрия в природе.

«Четырёхугольники, их признаки и свойства» - Тесты. Углы ромба. Прямоугольник, у которого все стороны равны. Виды четырёхугольников. Познакомить с видами четырёхугольников. Четырехугольник, вершины которого находятся в серединах сторон. Четырехугольники. Четырёхугольники, их признаки и свойства. Трапеция. Параллелограмм. Свойства параллелограмма. Диагонали. Из каких двух равных треугольников можно сложить квадрат. Прямоугольник. Квадрат. Виды трапеций.

«Теорема о вписанном угле» - Изучение нового материала. Окружности пересекаются. Ответ. Актуализация знаний учащихся. Проверь себя. Радиус окружности. Правильный ответ. Радиус окружности равен 4 см. Закрепление изученного материала. Острый угол. Найти угол между хордами. Треугольник. Теорема о вписанном угле. Понятие вписанного угла. Найти угол между ними. Как называется угол с вершиной в центре окружности. Решение. Актуализация знаний.

«Построение касательной к окружности» - Окружность. Взаимное расположение прямой и окружности. Окружность и прямая. Диаметр. Общие точки. Хорда. Решение. Окружность и прямая имеют одну общую точку. Касательная к окружности. Повторение. Теорема об отрезках касательных.

«Геометрия «Подобные треугольники»» - Два треугольника называются подобными. Значения синуса, косинуса и тангенса для углов 30°, 45°, 60°. Найти площадь равнобедренного прямоугольного треугольника. Теорема об отношении площадей подобных треугольников. Подобные треугольники. Второй признак подобия треугольников. Продолжение боковых сторон. Значения синуса, косинуса и тангенса. Пропорциональные отрезки. Две стороны треугольника соединили отрезком, непараллельным третьей.

Эта глава посвящена разработке векторного аппарата геометрии. С помощью векторов можно доказывать теоремы и решать геометрические задачи. Примеры такого применения векторов приведены в данной главе. Но изучение векторов полезно ещё и потому, что они широко используются в физике для описания различных физических величин, таких, например, как скорость, ускорение, сила.

Многие физические величины, например сила, перемещение материальной точки, скорость, характеризуются не только своим числовым значением, но и направлением в пространстве. Такие физические величины называются векторными величинами (или коротко векторами ).

Рассмотрим пример. Пусть на тело действует сила в 8 Н. На рисунке силу изображают отрезком со стрелкой (рис. 240). Стрелка указывает направление силы, а длина отрезка соответствует в выбранном масштабе числовому значению силы. Так, на рисунке 240 сила в 1 Н изображена отрезком длиной 0,6 см, поэтому сила в 8 Н изображена отрезком длиной 4,8 см.

Рис. 240

Отвлекаясь от конкретных свойств физических векторных величин, мы приходим к геометрическому понятию вектора.

Рассмотрим произвольный отрезок. Его концы называются также граничными точками отрезка .

На отрезке можно указать два направления: от одной граничной точки к другой и наоборот.

Чтобы выбрать одно из этих направлений, одну граничную точку отрезка назовём началом отрезка , а другую - концом отрезка и будем считать, что отрезок направлен от начала к концу.

Определение

На рисунках вектор изображается отрезком со стрелкой, показывающей направление вектора. Векторы обозначают двумя заглавными латинскими буквами со стрелкой над ними, например . Первая буква обозначает начало вектора, вторая - конец (рис. 242).

Рис. 242

На рисунке 243, а изображены векторы точки А, С, Е - начала этих векторов, а В, D, F - их концы. Векторы часто обозначают и одной строчной латинской буквой со стрелкой над ней: (рис. 243, б).

Рис. 243

Для дальнейшего целесообразно условиться, что любая точка плоскости также является вектором. В этом случае вектор называется нулевым . Начало нулевого вектора совпадает с его концом. На рисунке такой вектор изображается одной точкой. Если, например, точка, изображающая нулевой вектор, обозначена буквой М, то данный нулевой вектор можно обозначить так: (рис. 243, а). Нулевой вектор обозначается также символом На рисунке 243 векторы ненулевые, а вектор нулевой.

Длиной или модулем ненулевого вектора называется длина отрезка АВ. Длина вектора (вектора ) обозначается так: . Длина нулевого вектора считается равной нулю:

Длины векторов, изображённых на рисунках 243, а и 243, 6, таковы:

(каждая клетка на рисунке 243 имеет сторону, равную единице измерения отрезков).

Равенство векторов

Прежде чем дать определение равных векторов, обратимся к примеру. Рассмотрим движение тела, при котором все его точки движутся с одной и той же скоростью и в одном и том же направлении.

Скорость каждой точки М тела является векторной величиной, поэтому её можно изобразить направленным отрезком, начало которого совпадает с точкой М (рис. 244). Так как все точки тела движутся с одной и той же скоростью, то все направленные отрезки, изображающие скорости этих точек, имеют одно и то же направление и длины их равны.

Рис. 244

Этот пример подсказывает нам, как определить равенство векторов.

Предварительно введём понятие коллинеарных векторов.

Ненулевые векторы называются коллинеарными , если они лежат либо на одной прямой, либо на параллельных прямых; нулевой вектор считается коллинеарным любому вектору.

На рисунке 245 векторы (вектор нулевой) коллинеарны, а векторы а также не коллинеарны.

Рис. 245

Если два ненулевых вектора и коллинеарны, то они могут быть направлены либо одинаково, либо противоположно. В первом случае векторы и называются сонаправленными , а во втором - противоположно направленными 1 .

Сонаправленность векторов и обозначается следующим образом: Если же векторы и противоположно направлены, то это обозначают так: На рисунке 245 изображены как сонаправленные, так и противоположно направленные векторы:

Начало нулевого вектора совпадает с его концом, поэтому нулевой вектор не имеет какого-либо определённого направления. Иначе говоря, любое направление можно считать направлением нулевого вектора. Условимся считать, что нулевой вектор сонаправлен с любым вектором. Таким образом, на рисунке 245 и т. д.

Ненулевые коллинеарные векторы обладают свойствами, которые проиллюстрированы на рисунке 246, а - в.




Рис. 246

Дадим теперь определение равных векторов.

Определение

Таким образом, векторы и равны, если . Равенство векторов и обозначается так:

Откладывание вектора от данной точки

Если точка А - начало вектора , то говорят, что вектор отложен от точки А (рис. 247). Докажем следующее утверждение:

от любой точки М можно отложить вектор, равный данному вектору , и притом только один.




Рис. 247

В самом деле, если - нулевой вектор, то искомым вектором является вектор . Допустим, что вектор ненулевой, а точки А и B - его начало и конец. Проведём через точку M прямую р, параллельную АВ (рис. 248; если M - точка прямой АВ, то в качестве прямой р возьмём саму прямую АВ). На прямой р отложим отрезки MN и MN", равные отрезку АВ, и выберем из векторов тот, который сонаправлен с вектором (на рисунке 248 вектор ). Этот вектор и является искомым вектором, равным вектору . Из построения следует, что такой вектор только один.




Рис. 248

Замечание

Равные векторы, отложенные от разных точек, часто обозначают одной и той же буквой. Так обозначены, например, равные векторы скорости различных точек на рисунке 244. Иногда про такие векторы говорят, что это один и тот же вектор, но отложенный от разных точек.

Практические задания

738. Отметьте точки А, В и С, не лежащие на одной прямой. Начертите все ненулевые векторы, начало и конец которых совпадают с какими-то двумя из этих точек. Выпишите все полученные векторы и укажите начало и конец каждого вектора.

739. Выбрав подходящий масштаб, начертите векторы, изображающие полёт самолёта сначала на 300 км на юг от города А до В, а потом на 500 км на восток от города В до С. Затем начертите вектор который изображает перемещение из начальной точки в конечную.

740. Начертите векторы так, чтобы:

741. Начертите два неколлинеарных вектора и . Изобразите несколько векторов: а) сонаправленных с вектором ; б) сонаправленных с вектором ; в) противоположно направленных вектору ; г) противоположно направленных вектору .

742. Начертите два вектора: а) имеющие равные длины и неколинеарные; б) имеющие равные длины и сонаправленные; в) имеющие равные длины и противоположно направленные. В каком случае полученные векторы равны?

Ответ В случае б).