background image

1

Lecture 15

Geometry of Space

Dot Product - the Euclidean space,

Vector  Product,

Points in a space: Line, Plane.

background image

2

DOT  (INNER, SCALAR) 
PRODUCT IN R

n

Definition
The dot  product  (scalar, inner product) is a function 
which  assigns to two vectors,  one  real  number

For two vectors  a = ( a

1

, a

2

, ....., a

n

)   and    b = ( b

1

b

2

, ....., b

n

) we define the dot product   • : R

 x R

n

    R   

as: 

.

1

n

i

i

i

b

a

b

a

Using matrix multiplication and treating the (column) vectors as n×1 
matrices, the dot product can also be written as:

where a

T

 denotes the transpose of the matrix a.

background image

3

Properties of the scalar product:

(i)                 a • a = 0   a = 0,

(ii)                a 

 b = b 

 a (commutation),

(iii)               a 

 (b + c) = a 

 b + a 

• 

c (distribution with respect 

to addition),
(iv)               a 

 a  0,

(v)               (  a) 

 b  =  ( a 

 b).

background image

4

1. Length/Magnitude of a Vector: 
                                                        
The dot product of a vector  v with itself is equal to 
its length ||v||:

Geometrical interpretations in R

3

2

3

2
2

2

1

3

2

1

)

,

,

(

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

2. The dot product does not change under isometric 
changes of the basis: rotations, reflections, and 
combinations, keeping the origin fixed. 

background image

5

cos

B

A

B

A

4.  The dot product of two vectors is  the length of the projection of  

 

onto the unit vector  B  when the two vectors are placed so that 

their tails coincide. 

3. For R

3

 it is easliy shown that

background image

6

Parallel Vectors:

 

  

 

                 

When and are parallel to each other, their dot product is identical 
to the ordinary multiplication of their sizes, since    = 0

o   

and  cos 0

o

 

= 1. 

Perpendicular Vectors:

 

  

 

             

When and are perpendicular to each other, their dot product is 
always zero, since = 90

o  

and cos 90

o

 = 0. 

Component of a Vector:

 

  

 

                

The component of along a direction is equal to the dot product of the 
vector and the unit vector which points along the direction of 

ab

b

a

0

b

a

d

a

a

d

background image

7

Definition         MEASURE OF ANGLE BETWEEN 
VECTORS
Let  a, b be non-zero vectors from R

n

.

Definition
The measure of the angle between vectors  a and b is a real 
number  φ 

0   which satisfies the equality: 

.

b

a

b

,

a

cos

background image

8

What Good Are Dot Products?

•The dot product formula is easy to compute and gives you information 
about the angle between vectors, to know whether or not two vectors 
are perpendicular . 

•The dot product tells you about work. If you have a constant force 
applied directly in the direction an object is moved, then 
the amount of work = (force)  (distance).   

background image

9

Backface culling
When deciding if a polygon is facing the camera, you need only calculate 
the dot product of the normal vector of that polygon, with a vector from 
the camera to one of the polygon's vertices. If the dot product is less than 
zero, the polygon is facing the camera. If the value is greater than zero, it 
is facing away from the camera. 

The dot product is used in the lighting calculations and backface 
removal in 3D graphics. It is also used in mechanics

background image

10

Definition

The distance between vectors  u and  v  E  is the value  

d (u , v,) defined as

.

)

,

(

v

u

v

u

d

background image

11

An n-dimensional space R

n

  with notions of 

distance and angle is called an n-
dimensional Euclidean space

DEFINITION
The space R

n

  with the scalar product

where  a = [ a

1

, ....., a

n

 ] and  b = [ b

1

, ....., b

n

 ] is a Euclidean space  

and will be denoted as  E

n

.

Definition
Let  v be a vector from  E

n

 . The norm (length) of vector  v  is 

the value of

v

v

v

.

1

n

i

i

i

b

a

b

a

background image

12

Euclidean norm
On R

n

, the intuitive notion of length of the vector x = [x

1

x

2

, ..., 

x

n

] is captured by the formula

    

                            

Taxicab norm or Manhattan norm

  

 

                   

The name relates to the distance a taxi has to drive in a 
rectangular street grid to get from the origin to the point x.

Maximum norm chessboard norm

 

                                    

The distance between squares,in terms of moves necessary 
for a king

background image

13

  

 

                        
Illustrations

 

of 

unit circles

 in different 

norms

.

DEFINITION:
A circle is a set of points which 
are at a fixed distance R from
 the centre.

background image

14

Vector Product

background image

15

                            

VECTOR PRODUCT  IN  E

3

   

A vector product in E

is a transformation which 

assigns to two vectors  

a, b

  from E

3

 , a vector from 

E

.

3

3

3

:

E

E

E

b

a

background image

16

background image

17

C

B

A

The length of      is equal to the area of the rectangle formed by 

A

C

and

B

Rule of the right hand

background image

18

Definition

Let a = (a

1

,a

2

,a

3

 ) and  b = (b

1

,b

2

,b

), we denote the vector 

(outer) product as:
                                                      a x b 

and we call it a vector product  (outer product) of vectors a i b.

2

1

2

1

1

3

1

3

3

2

3

2

b

b

a

a

det

,

b

b

a

a

det

,

b

b

a

a

det

b

a

Example:

Find the vector product of the 
vectors

According to the definition:

.

5

,

0

,

4

,

1

,

2

,

3

b

a

8

,

11

,

10

0

4

2

3

det

,

4

5

3

1

det

,

5

0

1

2

det

b

a

background image

19

a) a x b = - ( b x a )

            

anticommutativity
b) a x ( b + c ) = a x b + a x c

 distributivity over 

addition
c) ( a ) x b =  ( a x b )
d) < a,  b  c > = < b, c  a > = < c, a x b >.

PROPERTIES

background image

20

1. The length of a vector a x b equals the area of a parallelogram 
defined
    by vectors a and b. 

 

b

,

a

sin

b

a

b

a

2.  The cross product of  any  two vectors in the xy-plane will be 
parallel to
     the z axis. 

background image

21

.

3

2

1

3

2

1

3

2

1

b

b

b

a

a

a

e

e

e

b

a

Can also be written as

In the Cartesian coordinate system  the vector product of 
vectors:

),

,

,

(

)

,

,

(

3

2

1

3

2

1

b

b

b

b

a

a

a

a

background image

22

It should be emphasized that unlike the dot product 
of two vectors, which is a number, the vector 
product is a vector. 

Let us note that for any two linearly dependent 
vectors 
a i b we have
                                        a x b = 0 
(see definition).

In particular a x a = 0.

background image

23

       dot product

     vector product

  a • a =  a 

2

     a  a = 0

 

a • b = b • a 

     a  b  = - b  a

  a • b = a

1

b

1

 + a

2

b

2

  + a

3

b

3

  a • (b + c) = a • b + a • c

     a  (b + c) = a  b  + a  
c

 

b

a

b

a

b

a

,

cos

 

b

a

b

a

b

a

,

sin

.

3

2

1

3

2

1

3

2

1

b

b

b

a

a

a

e

e

e

b

a

0

b

a

b

a

0

b

a

b

a

background image

24

A Plane in E

3

background image

25

Let us consider a linear space not only with vectors but also with points.

background image

26

Point  P  with coordinates (x,y,z)

Let us consider a linear space not only with vectors but also with points.

background image

27

Let us consider a point   

P

  and a vector  v  from the 

space R

n

P

 = (p

1

 ,p

2

 ,...,p

n

)      and        v = [v

1

 ,v

2

 ,...,v

n

].

Definition
A  result  of an  action of the vector  v  on the point  P  is a  
point
                                                  Q = (q

1

 ,q

2

 ,...,q

n

)      E

n

   

such that:

[ q

1

 – p

1

, q

2

 – p

2

,...,q

 - p

n

 ] = [ v

1

, v

2

, ….., v

n

 ] ,

Such action is denoted as:  

Q = P

  v  and we  say that the 

vector v is attached to the point   

P

  and has its end in the 

point  

Q

.

background image

28

].

,

,

,

[

2

2

1

1

n

n

p

q

p

q

p

q

PQ

So , we take 

P

 = (p

1

, p

2

 ,..., p

n

)   as the beginning  (head)   and 

Q

 = (q

1

, q

2

 ,..., q

n

)   as the end of  vector 

PQ

v 

Q 

= (q

1

,q

2

 ,...,q

n

)

P

 = (p

1

, p

2

,..., p

n

)

PQ

v 

background image

29

A straight line in the space   R

n

  is a subspace 

generated by a single, 

nonzero vector.

background image

30

                             

The equations of a line

In  3D  the line is the intersection of two planes, or the 
'variation' of a vector.

A line 

L

 in is determined  by a point  

P

  and a direction vector  

v

.

A point  

Q

  lies on a line exactly when it is a translation from 

P

 

by some multiple of  

v

.

R

t

v

t

v

L

:

P

)

,

P

(

P

P + v

v

background image

31

In coordinates a point 

(x,y,z)

 lies on a line L

((x

0

,y

0

,z

0

), ((v

1

,v

2

,v

3

)) 

 when

for some 

in 

R

.

(x,y,z) = (x

0

,y

0

,z

0

) + t (v

1

,v

2

,v

3

Example
The line through 

P

 = (1,1,1) in the direction v = (1,2,3) consists of all points (x,y,z)

satisfying 
                                   (x,y,z) = (1,1,1) + t (1,2,3) for any t  R, 

or satisfying the two equations
                              x -1 = (y -1)/2      and    (y -1)/2 = (z -1)/3.

background image

32

Suppose a, b   R

n

 are linearly independent 

vectors. 

Definition

A plane P(a,b) generated by a and b
is the set of vectors v of the form: v =  t a + w b, 
for some real numbers t, w.

P(a, b) = { v: v = t  a + w  b ; t, w 

 R }.

background image

33

Theorem
The point Q lies on the line P ( a, b )  if and only if 
there exist real numbers t and w such that:

.

n

,

,

,

i

for

,

b

w

a

t

p

q

i

i

i

i

2

1

0

,

b

w

a

t

p

q

1

1

0

1

1

,

b

w

a

t

p

q

2

2

0

2

2

.

b

w

a

t

p

q

3

3

0

3

3

These equations are called the parametric equations of the plane 

When we eliminate the parameters  t, w  from the above equations we obtain:

background image

34

The equation of a plane perpendicular to a vector  
n  with
coefficients  n =  (a, b, c)  is
                          

ax + by + cz + d =0


Document Outline