Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 1

RACHUNEK WEKTOROWY W PRZESTRZENI

Wersory na osiach układu współrzędnych

→

→

→

Wektory i = [1 , 0 , 0], j = [0 , 1 , 0], k = [0 , 0 , 1] nazywamy wersora-mi odpowiednio osi OX , OY , OZ.

Długość wektora

→

→

→

→

i

Niech dany będzie wektor a = hax , ay , az = ax i + ay j + az k .

→

Długość wektora a opisuje wzór:

→ de f q

a

=

a2x + a2y + a2z

UWAGA

→

Długość wektora a = x , y , z jest równa odległości punktu P (x , y , z) od poczatku układu współrzędnych.

Każdy wektor o długości 1 nazywamy wersorem.

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 2

Własności długości wektora

→ →

Niech a , b będą wektorami w R3 oraz niech α ∈ R.

Wtedy:

→

→

→ →

•

a

0, przy czym a = 0 ⇔ a = 0

→

→

• α

· a = |α| · a

→

→

→

→

• a + b 6 a + b

→

→

→

→

• a − b 6 a − b

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 3

→

→

ILOCZYN SKALARNY DWÓCH WEKTORÓW

a ◦ b

→

→

Niech a i b będą dowolnymi wektorami w R3.

→

→

Iloczyn skalarny wektorów a i b określamy wzorem :

→

→

→

→

→

→

a ◦ b =

a

· b · cos ≺ a , b

→

→

i

i

Jeżeli a = hax , ay , az i b = hbx , by , bz , to iloczyn skalarny tych wektorów liczymy ze wzoru:

→

→

a ◦ b = ax · bx + ay · by + az · bz

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 4

→

→

Rzut wektora a na oś o kierunku wektora b

→

→

→

Wektor c , będący rzutem wektora a na oś o kierunku wektora b , wyznaczamy ze wzoru:

→

→

→ b

→

→

c =

a

cos ≺ a , b

→

b

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 5

Własności iloczynu skalarnego

→ →

→

Niech a , b i c będą dowolnymi wektorami w R3 oraz niech α ∈ R.

Wtedy:

→

→

→

→

• a ◦ b = b ◦ a

→

→

→

→

• α· a ◦ b = α · a ◦ b

→

→

→2

• a ◦ a =

a

→

→

→

→

→

→

•

a + b ◦ c = →

a ◦ c + b ◦ c

→

→

→

→

• a ◦ b 6 a · b

→

→

→

→

• wektory a i b są prostopadłe ⇔ a ◦ b = 0

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 6

ILOCZYN WEKTOROWY DWÓCH WEKTORÓW

Orientacja trójki wektorów

→

→

→

Niech a = x ,

,

,

,

,

,

1

y1 z1 , b = x2 y2 z2 , c = x3 y3 z3 będą wektorami w R3.

→ → →

Mówimy, że wektory a , b i c tworzą układ o orientacji zgodnej z orientacją układu współrzędnych, jeżeli:

x

1 y1 z1

x

> 0

2 y2 z2

x3 y3 z3

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 7

UWAGA

x

1 y1 z1

→

→

→

Dla x

< 0 orientacja układu wektorów a , b , c jest przeciwna do 2 y2 z2

x3 y3 z3

orientacji układu współrzędnych.

→

→

ILOCZYN WEKTOROWY DWÓCH WEKTORÓW

a × b

→

→

Niech a i b będą niewspółliniowymi wektorami w R3.→ →

→

Iloczynem wektorowym uporządkowanej pary wektorów a i b nazywamy wektor c , który spełnia warunki:

→

→

• jest prostopadły do płaszczyzny rozpiętej na wektorach a i b

→

→

• jego długość jest równa polu równoległoboku rozpiętego na wektorach a i b .

→

→

→

→

→

→

|P

r| = a × b = a

· b · sin ≺ a , b

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 8

UWAGA

→ →

Jeżeli jeden z wektorów a , b jest wektorem zerowym lub jeżeli wektory te są współ-

→

→

→

liniowe, to przyjmujemy, że a × b = 0 .

Wzór na iloczyn wektorowy dwóch wektorów

→

→

Niech a = x ,

,

,

,

1

y1 z1 , b = x2 y2 z2 będą wektorami w R3.

Wówczas

→ → →

i

j k

→

→

a × b =

x1 y1 z1

x

2 y2 z2

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 9

Własności iloczynu wektorowego

→ →

→

Niech a , b i c będą dowolnymi wektorami w R3 oraz niech α ∈ R.

Wtedy:

→

→

→

→

• a × b = − b × a

→

→

→

→

→

• α· a × b = α · a × b

= →

a × α· b

→

→

→

→

→

→

•

a + b × c = →

a × c + b × c

→

→

• a × a = 0

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 10

→

→

ILOCZYN MIESZANY

a , b , →

c

→ →

→

Niech a , b i c będą dowolnymi wektorami w R3.

→ → →

Iloczyn mieszany uporządkowanej trójki wektorów a , b , c określamy wzorem:

→

→

de f →

→

→

a , b , →

c

= a × b ◦ c

Wzór na iloczyn mieszany trzech wektorów

→

→

→

Niech a = x ,

,

,

,

,

,

1

y1 z1 , b = x2 y2 z2 i c = x3 y3 z3 będą dowolnymi wektorami w R3.

Wówczas

x

1 y1 z1

→

→

a , b , →

c

= x

2 y2 z2

x3 y3 z3

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 11

Własności iloczynu mieszanego

→ → → →

Niech a , b , c , d będą dowolnymi wektorami w R3 oraz niech α ∈ R.

Wtedy:

→

→

→

•

a , b , →

c

= b , →c , →

a

→

→

→

•

a , b , →

c

= − b , →

a , →

c

→

→

→

→

→

→

→

•

a + d , b , →

c

= a , b , →c + d , b , →c

→

→

→

→

• α· a , b , →

c

= α · a , b , →c

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 12

INTERPRETACJA GEOMETRYCZNA ILOCZYNU MIESZANEGO

→ → →

• Iloczyn mieszany wektorów a , b , c jest równy ( z dokładnością do znaku )

→ → →

objętości równoległościanu V rozpiętego na wektorach a , b , c .

→

→

V = a , b , →

c

→ → →

• Objętość czworościanu rozpiętego na wektorach a , b , c :

→

→

V = 1 a , b , →

c

6

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 13

Cosinusy kierunkowe

→

i

Niech wektor a =

hax , ay , az tworzy z osiami układu odpowiednio kąty α , β , γ.

→

Cosinusy tych kątów nazywamy cosinusami kierunkowymi wektora a i wyznaczamy je ze wzorów:

ay

cos α = ax ,

cos β =

, cos γ = az

→

→

→

a

a

a

UWAGA

Między cosinusami kierunkowymi wektora zachodzi związek cos2 α + cos2 β + cos2 γ = 1

Nanotechnologia -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 14

WZAJEMNE POŁOŻENIE WEKTORÓW Niech dane będą dwa niezerowe wektory

→

→

przestrzeni R3: a = x ,

,

,

,

1

y1 z1 i b = x2 y2 z2 .

Wówczas

• Wektory równoległe (kolinearne)

→

→

x

→

→

a ||

1

b ⇔

= y1 = z1, czyli a = k· b , k ∈ R

x2

y2

z2

→

→

→

→

lub sin ≺

a , b

= 0, czyli a × b = 0.

• Wektory prostopadłe (ortogonalne)

→

→

→

→

a | b ⇔ a ◦ b = 0

• Wektory współpłaszczyznowe (komplanarne)

→

→

a , b , →

c

= 0