Выражение вида называется линейной комбинацией векторов A 1 , A 2 ,...,A n с коэффициентами λ 1, λ 2 ,...,λ n .
Определение линейной зависимости системы векторов
Система векторов A 1 , A 2 ,...,A n называется линейно зависимой , если существует ненулевой набор чисел λ 1, λ 2 ,...,λ n , при котором линейная комбинация векторов λ 1 *A 1 +λ 2 *A 2 +...+λ n *A n равна нулевому вектору , то есть система уравнений: имеет ненулевое решение.
Набор чисел λ 1, λ 2 ,...,λ n является ненулевым, если хотя бы одно из чисел λ 1, λ 2 ,...,λ n отлично от нуля.
Определение линейной независимости системы векторов
Пример 29.1Система векторов A 1 , A 2 ,...,A n называется линейно независимой , если линейная комбинация этих векторов λ 1 *A 1 +λ 2 *A 2 +...+λ n *A n равна нулевому вектору только при нулевом наборе чисел λ 1, λ 2 ,...,λ n , то есть система уравнений: A 1 x 1 +A 2 x 2 +...+A n x n =Θ имеет единственное нулевое решение.
Проверить, является ли линейно зависимой система векторов
Решение :
1. Составляем систему уравнений :
2. Решаем ее методом Гаусса . Преобразования Жордано системы приведены в таблице 29.1. При расчете правые части системы не записываются так как они равны нулю и при преобразованиях Жордана не изменяются.
3. Из последних трех строк таблицы записываем разрешенную систему, равносильную исходной системе:
4. Получаем общее решение системы :
5. Задав по своему усмотрению значение свободной переменной x 3 =1, получаем частное ненулевое решение X=(-3,2,1).
Ответ: Таким образом, при ненулевом наборе чисел (-3,2,1) линейная комбинация векторов равняется нулевому вектору -3A 1 +2A 2 +1A 3 =Θ. Следовательно, система векторов линейно зависимая .
Свойства систем векторов
Свойство (1)
Если система векторов линейно зависимая, то хотя бы один из векторов разлагается по остальным и, наоборот, если хотя бы один из векторов системы разлагается по остальным, то система векторов линейно зависимая.
Свойство (2)
Если какая-либо подсистема векторов линейно зависимая, то и вся система линейно зависимая.
Свойство (3)
Если система векторов линейно независимая, то любая ее подсистема линейно независимая.
Свойство (4)
Любая система векторов, содержащая нулевой вектор, линейно зависимая.
Свойство (5)
Система m-мерных векторов всегда является линейно зависимой, если число векторов n больше их размерности (n>m)
Базис системы векторов
Базисом системы векторов A 1 , A 2 ,..., A n называется такая подсистема B 1 , B 2 ,...,B r (каждый из векторов B 1 ,B 2 ,...,B r является одним из векторов A 1 , A 2 ,..., A n) , которая удовлетворяет следующим условиям:
1. B 1 ,B 2 ,...,B r линейно независимая система векторов;
2. любой вектор A j системы A 1 , A 2 ,..., A n линейно выражается через векторы B 1 ,B 2 ,...,B rr — число векторов входящих в базис.
Теорема 29.1 О единичном базисе системы векторов.Если система m-мерных векторов содержит m различных единичных векторов E 1 E 2 ,..., E m , то они образуют базис системы.
Алгоритм нахождения базиса системы векторов
Для того, чтобы найти базис системы векторов A 1 ,A 2 ,...,A n необходимо:
- Составить соответствующую системе векторов однородную систему уравнений A 1 x 1 +A 2 x 2 +...+A n x n =Θ
- Привести эту систему
Линейная зависимость векторов
При решении различных задач, как правило, приходится иметь дело не с одним вектором, а с некоторой совокупностью векторов одной и той же размерности. Такие совокупности называют системой векторов и обозначают
Определение. Линейной комбинацией векторов называется вектор вида
где - любые действительные числа. Также говорят, что вектор линейно выражается через векторы или разлагается по этим векторам.
Например, пусть даны три вектора: , , . Их линейной комбинацией с коэффициентами соответственно 2, 3 и 4 является вектор
Определение. Множество всевозможных линейных комбинаций системы векторов называется линейной оболочкой этой системы.
Определение. Система ненулевых векторов называется линейно зависимой , если существуют такие числа , не равные одновременно нулю, что линейная комбинация данной системы с указанными числами равна нулевому вектору:
Если же последнее равенство для данной системы векторов возможно лишь при , то эта система векторов называется линейно независимой .
Например, система двух векторов , линейно независима; система двух векторов и линейно зависима, так как .
Пусть система векторов (19) линейно зависима. Выберем в сумме (20) слагаемое, в котором коэффициент , и выразим его через остальные слагаемые:
Как видно из этого равенства, один из векторов линейно зависимой системы (19) оказался выраженным через другие векторы этой системы (или разлагается по остальным ее векторам).
Свойства линейно зависимой системы векторов
1. Система, состоящая из одного ненулевого вектора, линейно независима.
2. Система, содержащая нулевой вектор, всегда линейно зависима.
3. Система, содержащая более одного вектора, линейно зависима тогда и только тогда, когда среди ее векторов содержится, по крайней мере, один вектор, который линейно выражается через остальные.
Геометрический смысл линейной зависимости в случае двухмерных векторов на плоскости: когда один вектор выражается через другой, мы имеем , т.е. эти векторы коллинеарны, или что то же самое, находятся на параллельных прямых.
В пространственном случае линейной зависимости трех векторов они параллельны одной плоскости, т.е. компланарны . Достаточно «подправить» соответствующими сомножителями длины этих векторов, чтобы один из них стал суммой двух других или выражался через них.
Теорема. В пространстве любая система, содержащая векторов, линейно зависима при .
Пример. Выяснить, являются ли векторы линейно зависимыми.
Решение . Составим векторное равенство . Записывая в виде вектор-столбцов, получаем
Таким образом, задача свелась к решению системы
Решим систему методом Гаусса:
В результате получим систему уравнений:
которая имеет бесконечное множество решений, среди которых обязательно найдется одно ненулевое, следовательно, векторы линейно зависимые.
Определение 1
. Линейной
комбинацией векторовназывается сумма произведений этих
векторов на скаляры
:
Определение 2
. Система
векторов
называется линейно зависимой системой,
если линейная комбинация их (2.8) обращается
в нуль:
причем среди чисел
существует хотя бы одно, отличное от
нуля.
Определение 3
. Векторы
называются линейно независимыми, если
их линейная комбинация (2.8) обращается
в нуль лишь в случае, когда все числа.
Из этих определений можно получить следующие следствия.
Следствие 1 . В линейно зависимой системе векторов хотя бы один вектор может быть выражен как линейная комбинация остальных.
Доказательство
. Пусть
выполнено (2.9) и пусть для определенности,
коэффициент
.
Имеем тогда:
.
Заметим, что справедливо и обратное
утверждение.
Следствие 2.
Если система
векторов
содержит нулевой вектор, то эта система
(обязательно) линейно зависима –
доказательство очевидно.
Следствие 3
. Если средиn
векторов
какие либоk
(
)
векторов линейно зависимы, то и всеn
векторов линейно зависимы (опустим
доказательство).
2 0 . Линейные комбинации двух, трех и четырех векторов . Рассмотрим вопросы линейной зависимости и независимости векторов на прямой, плоскости и в пространстве. Приведем соответствующие теоремы.
Теорема 1 . Для того чтобы два вектора были линейно зависимы, необходимо и достаточно, чтобы они были коллинеарны.
Необходимость
. Пусть векторы
и
линейно зависимы. Это означает, что их
линейная комбинация
=0
и (ради определенности)
.
Отсюда следует равенство
,
и (по определению умножения вектора на
число) векторы
и
коллинеарны.
Достаточность
. Пусть векторы
и
коллинеарны (
║
)
(предполагаем, что они отличны от нулевого
вектора; иначе их линейная зависимость
очевидна).
По теореме (2.7)
(см. §2.1,п.2 0) тогда
такое, что
,
или
– линейная комбинация равна нулю, причем
коэффициент при
равен 1 – векторы
и
линейно зависимы.
Из этой теоремы вытекает следующее следствие.
Следствие
. Если векторы
и
не коллинеарны, то они линейно независимы.
Теорема 2 . Для того чтобы три вектора были линейно зависимы, необходимо и достаточно, чтобы они были компланарны.
Необходимость
. Пусть векторы
,
и
линейно зависимы. Покажем, что они
компланарны.
Из определения
линейной зависимости векторов следует
существование чисел
и
таких, что линейная комбинация
,
и при этом (для определенности)
.
Тогда из этого равенства можно выразить
вектор
:
=
,
то есть вектор
равен диагонали параллелограмма,
построенного на векторах, стоящих в
правой части этого равенства (рис.2.6).
Это означает, что векторы
,
и
лежат в одной плоскости.
Достаточность
. Пусть векторы
,
и
компланарны. Покажем, что они линейно
зависимы.
Исключим случай коллинеарности какой либо пары векторов (ибо тогда эта пара линейно зависима и по следствию 3 (см.п.1 0) все три вектора линейно зависимы). Заметим, что такое предположение исключает также существование нулевого вектора среди указанных трех.
Перенесем три компланарных
вектора в одну плоскость и приведем их
к общему началу. Через конец вектора
проведем прямые, параллельные векторам
и
;
получим при этом векторы
и
(рис.2.7) – их существование обеспечено
тем, что векторы
и
не коллинеарные по предположению
векторы. Отсюда следует, что вектор
=
+
.
Переписав это равенство в виде
(–1)
+
+
=0,
заключаем, что векторы
,
и
линейно зависимы.
Из доказанной теоремы вытекает два следствия.
Следствие 1
. Пусть
и
не коллинеарные векторы, вектор
– произвольный, лежащий в плоскости,
определяемой векторами
и
,
вектор. Существуют тогда числа
и
такие, что
=
+
.
(2.10)
Следствие 2
. Если векторы
,
и
не компланарны, то они линейно независимы.
Теорема 3 . Любые четыре вектора линейно зависимы.
Доказательство опустим; с некоторыми изменениями оно копирует доказательство теоремы 2. Приведем следствие из этой теоремы.
Следствие
. Для любых
некомпланарных векторов
,
,
и любого вектора
и
такие, что
.
(2.11)
Замечание . Для векторов в (трехмерном) пространстве понятия линейной зависимости и независимости имеют, как это следует из приведенных выше теорем 1-3, простой геометрический смысл.
Пусть имеются два линейно
зависимых вектора
и
.
В таком случае один из них является
линейной комбинацией второго, то есть
просто отличается от него численным
множителем (например,
).
Геометрически это означает, что оба
вектора находятся на общей прямой; они
могут иметь одинаковое или противоположное
направления (рис.2.8 хх).
Если же два вектора расположены
под углом друг к другу (рис.2.9 хх), то в
этом случае нельзя получить один из них
умножением другого на число – такие
векторы линейно независимы. Следовательно,
линейная независимость двух векторов
и
означает, что эти векторы не могут быть
уложены на одну прямую.
Выясним геометрический смысл линейной зависимости и независимости трех векторов.
Пусть векторы
,
и
линейно зависимы и пусть (для определенности)
вектор
является линейной комбинацией векторов
и
,
то есть расположен в плоскости, содержащей
векторы
и
.
Это означает, что векторы
,
и
лежат в одной плоскости. Справедливо и
обратное утверждение: если векторы
,
и
лежат в одной плоскости, то они линейно
зависимы.
Таким образом,
векторы
,
и
линейно независимы в том и только в том
случае, если они не лежат в одной
плоскости.
3 0 . Понятие базиса . Одним из важнейших понятий линейной и векторной алгебры является понятие базиса. Введем определения.
Определение 1 . Пара векторов называется упорядоченной, если указано, какой вектор этой пары считается первым, а какой вторым.
Определение 2.
Упорядоченная
пара
,
неколлинеарных векторов называется
базисом на плоскости, определяемой
заданными векторами.
Теорема 1
. Всякий вектор
на плоскости может быть представлен
как линейная комбинация базисной системы
векторов
,
:
(2.12)
и это представление единственно.
Доказательство
. Пусть
векторы
и
образуют базис. Тогда любой вектор
можно представить в виде
.
Для доказательства единственности
предположим, что имеется еще одно
разложение
.
Имеем тогда=0,
причем хотя бы одна из разностей отлична
от нуля. Последнее означает, что векторы
и
линейно зависимы, то есть коллинеарны;
это противоречит утверждению, что они
образуют базис.
Но тогда – разложение единственно.
Определение 3 . Тройка векторов называется упорядоченной, если указано, какой вектор ее считается первым, какой вторым, а какой третьим.
Определение 4 . Упорядоченная тройка некомпланарных векторов называется базисом в пространстве.
Здесь также справедлива теорема разложения и единственности.
Теорема 2
. Любой вектор
может быть представлен как линейная
комбинация базисной системы векторов
,
,
:
(2.13)
и это представление единственно (опустим доказательство теоремы).
В разложениях (2.12) и (2.13) величины
называются координатами вектора
в заданном базисе (точнее, аффинными
координатами).
При фиксированном базисе
и
можно писать
.
Например, если задан базис
и дано, что
,
то это означает, что имеет место
представление (разложение)
.
4 0 . Линейные операции над векторами в координатной форме . Введение базиса позволяет линейные операции над векторами заменить обычными линейными операциями над числами – координатами этих векторов.
Пусть задан некоторый базис
.
Очевидно, задание координат вектора в
этом базисе полностью определяет сам
вектор. Имеют место следующие предложения:
а) два вектора
и
равны тогда и только тогда, когда равны
их соответственные координаты:
б) при умножении вектора
на число
его координаты умножаются на это число:
;
(2.15)
в) при сложении векторов складываются их соответственные координаты:
Доказательства этих свойств опустим; докажем лишь для примера свойство б). Имеем
==
Замечание . В пространстве (на плоскости) можно выбрать бесконечно много базисов.
Приведем пример перехода от одного базиса к другому, установим соотношения между координатами вектора в различных базисах.
Пример 1
. В базисной системе
заданы три вектора:
,
и
.
В базисе
,
,
вектор
имеет разложение.
Найти координаты вектора
в базисе
.
Решение
. Имеем разложения:
,
,
;
следовательно,
=
+2
+
=
=
,
то есть
в базисе
.
Пример 2
. Пусть в некотором
базисе
четыре вектора заданы своими координатами:
,
,
и
.
Выяснить,
образуют ли векторы
базис; в случае положительного ответа
найти разложение вектора
в этом базисе.
Решение
. 1) векторы образуют
базис, если они линейно независимы.
Составим линейную комбинацию векторов
(
)
и выясним, при каких
и
она обращается в нуль:
=0.
Имеем:
=
+
+
=
По определению
равенства векторов в координатной форме
получим следующую систему (линейных
однородных алгебраических) уравнений:
;
;
,
определитель которой
=1
,
то есть система имеет (лишь) тривиальное
решение
.
Это означает линейную независимость
векторов
и, следовательно, они образуют базис.
2) разложим вектор
в этом базисе. Имеем:
=
или в координатной форме.
Переходя к
равенству векторов в координатной
форме, получим систему линейных
неоднородных алгебраических уравнений:
;
;
.
Решая ее (например, по правилу Крамера),
получим:
,
,
и (
)
.
Имеем разложение вектора
в базисе
:
=.
5
0
. Проекция
вектора на ось. Свойства проекций.
Пусть
имеется некоторая осьl
,
то есть прямая с выбранным на ней
направлением и пусть задан некоторый
вектор
.Определим
понятие проекции вектора
на осьl
.
Определение
. Проекцией
вектора
на осьl
называется
произведение модуля этого вектора на
косинус угла между осьюl
и вектором (рис.2.10):
.
(2.17)
Следствием этого определения является утверждение о том, что равные векторы имеют равные проекции (на одну и ту же ось).
Отметим свойства проекций.
1) проекция суммы векторов на некоторую ось l равна сумме проекций слагаемых векторов на ту же ось:
2) проекция произведения скаляра на вектор равна произведению этого скаляра на проекцию вектора на ту же ось:
=
.
(2.19)
Следствие . Проекция линейной комбинации векторов на ось равна линейной комбинации их проекций:
Доказательства свойств опустим.
6
0
. Прямоугольная
декартова система координат в пространстве
.Разложение вектора по ортам осей.
Пусть в качестве базиса выбраны три
взаимно перпендикулярных орта; для них
вводим специальные обозначения
.
Поместив их начала в точкуO
,
направим по ним (в соответствии с ортами
)
координатные осиOx
,Oy
иOz
(ось с выбранным на ней положительным
направлением, началом отсчета и единицей
длины называется координатной осью).
Определение . Упорядоченная система трех взаимно перпендикулярных координатных осей с общим началом и общей единицей длины называется прямоугольной декартовой системой координат в пространстве.
Ось Ox называется осью абсцисс,Oy – осью ординат иOz – осью аппликат.
Займемся
разложением произвольного вектора по
базису
.
Из теоремы (см.§2.2,п.3 0 , (2.13)) следует,
что
может быть и единственным образом
разложен по базису
(здесь вместо обозначения координат
употребляют
):
.
(2.21)
В (2.21)
суть (декартовы прямоугольные) координаты
вектора
.
Смысл декартовых координат устанавливает
следующая теорема.
Теорема
. Декартовы
прямоугольные координаты
вектора
являются проекциями этого вектора
соответственно на осиOx
,Oy
иOz
.
Доказательство.
Поместим
вектор
в начало системы координат – точкуO
.
Тогда его конец будет совпадать с
некоторой точкой
.
Проведем через
точку
три плоскости, параллельные координатным
плоскостямOyz
,Oxz
иOxy
(рис.2.11 хх). Получим
тогда:
.
(2.22)
В (2.22) векторы
и
называются составляющими вектора
по осямOx
,Oy
иOz
.
Пусть через
и
обозначены соответственно углы,
образованные вектором
с ортами
.
Тогда для составляющих получим следующие
формулы:
=
=
,
=
=
,
=
=
(2.23)
Из (2.21), (2.22) (2.23) находим:
=
=
;
=
=
;
=
=
(2.23)
– координаты
вектора
есть проекции этого вектора на координатные
осиOx
,Oy
иOz
соответственно.
Замечание
. Числа
называются направляющими косинусами
вектора
.
Модуль вектора
(диагональ прямоугольного параллелепипеда)
вычисляется по формуле:
.
(2.24)
Из формул (2.23) и (2.24) следует, что направляющие косинусы могут быть вычислены по формулам:
=
;
=
;
=
.
(2.25)
Возводя обе части каждого из равенств в (2.25) и складывая почленно левые и правые части полученных равенств, придем к формуле:
– не любые три угла образуют некоторое направление в пространстве, но лишь те, косинусы которых связаны соотношением (2.26).
7 0 . Радиус-вектор и координаты точки .Определение вектора по его началу и концу . Введем определение.
Определение
. Радиусом-вектором
(обозначается
)
называется вектор, соединяющий начало
координатO
с этой
точкой (рис.2.12 хх):
.
(2.27)
Любой точке пространства соответствует определенный радиус-вектор (и обратно). Таким образом, точки пространства представляются в векторной алгебре их радиус-векторами.
Очевидно, координаты
точкиM
являются
проекциями ее радиус-вектора
на координатные оси:
(2.28’)
и, таким образом,
(2.28)
– радиус-вектор точки есть
вектор, проекции которого на оси координат
равны координатам этой точки. Отсюда
следует две записи:
и
.
Получим формулы для вычисления
проекций вектора
по координатам его начала – точке
и конца – точке
.
Проведем радиус-векторы
и вектор
(рис.2.13). Получим, что
=
=(2.29)
– проекции вектора на координатные орты равны разностям соответствующих координат конца и начала вектора.
8 0 . Некоторые задачи на декартовы координаты .
1)
условия коллинеарности
векторов
. Из теоремы (см.§2.1,п.2 0 ,
формула (2.7)) следует, что для коллинеарности
векторов
и
необходимо и достаточно, чтобы выполнялось
соотношение:
=
.
Из этого векторного равенства получаем
три в координатной форме равенства:,
откуда следует условие коллинеарности
векторов в координатной форме:
(2.30)
– для коллинеарности векторов
и
необходимо и достаточно, чтобы их
соответствующие координаты были
пропорциональны.
2)
расстояние между
точками
. Из представления (2.29)
следует, что расстояние
между точками
и
определяется формулой
=
=.
(2.31)
3)
деление отрезка в
данном отношении
. Пусть даны точки
и
и отношение
.
Нужно найти
– координаты точкиM
(рис.2.14).
Имеем из условия коллинеарности
векторов:
,
откуда
и
.
(2.32)
Из (2.32) получим в координатной форме:
Из формул (2.32’) можно получить
формулы для вычисления координат
середины отрезка
,
полагая
:
Замечание
. Будем считать
отрезки
и
положительными или отрицательными в
зависимости от того, совпадает их
направление с направлением от начала
отрезка к концу
,
или не совпадает. Тогда по формулам
(2.32) – (2.32”) можно находить координат
точки, делящей отрезок
внешним образом, то есть так, что делящая
точкаM
находится на
продолжении отрезка
,
а не внутри его. При этом конечно,
.
4)
уравнение сферической
поверхности
.
Составим уравнение
сферической поверхности – геометрического
места точек
,
равноудаленных на расстояние
от некоторого фиксированного центра –
точки
.
Очевидно, что в данном случае
и с учетом формулы (2.31)
Уравнение (2.33) и есть уравнение искомой сферической поверхности.
Векторы, их свойства и действия с ними
Векторы, действия с векторами, линейное векторное пространство.
Векторы- упорядоченная совокупность конечного количества действительных чисел.
Действия: 1.Умножение вектора на число: лямда*вектор х=(лямда*х 1 , лямда*х 2 … лямда*х n).(3,4, 0, 7)*3=(9, 12,0,21)
2.Сложение векторов (принадлежат одному и тому же векторному пространству) вектор х+вектор у = (х 1 +у 1, х 2 +у 2, … х n +у n ,)
3. Вектор 0=(0,0…0)---n E n – n-мерное (линейное пространство) вектор х +вектор 0 = вектор х
Теорема. Для того чтобы система n векторов, n- мерного линейного пространства была линейно зависимой, необходимо и достаточно, чтобы один из векторов были линейной комбинацией остальным.
Теорема. Любая совокупность n+ 1ого вектора n- мерного линейного пространства явл. линейно зависимой.
Сложение векторов, умножение векторов на числа. Вычитание векторов.
Суммой двух векторов и называется вектор, направленный из начала вектора в конец вектора при условии, что начало совпадет с концом вектора. Если векторы заданы их разложениями по базисным ортам, то при сложении векторов складываются их соответствующие координаты.
Рассмотрим это на примере декартовой системы координат. Пусть
Покажем, что
Из рисунка 3 видно, что 
Сумма любого конечного числа векторов может быть найдена по правилу многоугольника (рис. 4): чтобы построить сумму конечного числа векторов, достаточно совместить начало каждого последующего вектора с концом предыдущего и построить вектор, соединяющий начало первого вектора с концом последнего.
Свойства операции сложения векторов:
В этих выражениях m, n - числа.
Разностью векторов и называют вектор Второе слагаемое является вектором, противоположным вектору по направлению, но равным ему по длине.
Таким образом, операция вычитания векторов заменяется на операцию сложения
Вектор, начало которого находится в начале координат, а конец - в точке А (x1, y1, z1), называют радиус-вектором точки А и обозначают или просто. Так как его координаты совпадают с координатами точки А, то его разложение по ортам имеет вид
Вектор, имеющий начало в точке А(x1, y1, z1) и конец в точке B(x2, y2, z2), может быть записан в виде 
где r 2 - радиус-вектор точки В; r 1 - радиус-вектор точки А.
Поэтому разложение вектора по ортам имеет вид
Его длина равна расстоянию между точками А и В
УМНОЖЕНИЕ
Так в случае плоской задачи произведение вектор на a = {ax; ay} на число b находится по формуле
a · b = {ax · b; ay · b}
Пример 1. Найти произведение вектора a = {1; 2} на 3.
3 · a = {3 · 1; 3 · 2} = {3; 6}
Так в случае пространственной задачи произведение вектора a = {ax; ay; az} на число b находится по формуле
a · b = {ax · b; ay · b; az · b}
Пример 1. Найти произведение вектора a = {1; 2; -5} на 2.
2 · a = {2 · 1; 2 · 2; 2 · (-5)} = {2; 4; -10}
Скалярное произведение векторов и 
где - угол между векторами и ; если либо , то
Из определения скалярного произведения следует, что 
где, например, есть величина проекции вектора на направление вектора .
Скалярный квадрат вектора:
Свойства скалярного произведения:
Скалярное произведение в координатах
Если 
то 
Угол между векторами
Угол между векторами - угол между направлениями этих векторов (наименьший угол).
Векторное произведение(Векторное произведение двух векторов.)- это псевдовектор, перпендикулярный плоскости, построенной по двум сомножителям, являющийся результатом бинарной операции «векторное умножение» над векторами в трёхмерном Евклидовом пространстве. Произведение не является ни коммутативным, ни ассоциативным (оно является антикоммутативным) и отличается от скалярного произведения векторов. Во многих задачах инженерии и физики нужно иметь возможность строить вектор, перпендикулярный двум имеющимся - векторное произведение предоставляет эту возможность. Векторное произведение полезно для «измерения» перпендикулярности векторов - длина векторного произведения двух векторов равна произведению их длин, если они перпендикулярны, и уменьшается до нуля, если векторы параллельны либо антипараллельны.
Векторное произведение определено только в трёхмерном и семимерном пространствах. Результат векторного произведения, как и скалярного, зависит от метрики Евклидова пространства.
В отличие от формулы для вычисления по координатам векторов скалярного произведения в трёхмерной прямоугольной системе координат, формула для векторного произведения зависит от ориентации прямоугольной системы координат или, иначе, её «хиральности»
Коллинеарность векторов.
Два ненулевых (не равных 0) вектора называются коллинеа́рными, если они лежат на параллельных прямых или на одной прямой. Допусти́м, но не рекомендуется синоним - «параллельные» векторы. Коллинеарные векторы могут быть одинаково направлены («сонаправлены») или противоположно направлены (в последнем случае их иногда называют «антиколлинеарными» или «антипараллельными»).
Сме́шанное произведе́ние векторов(a, b,c) - скалярное произведение вектора a на векторное произведение векторов b и c:
(a,b,c)=a ⋅(b ×c)
иногда его называют тройным скалярным произведением векторов, по всей видимости из-за того, что результатом является скаляр (точнее - псевдоскаляр).
Геометрический смысл: Модуль смешанного произведения численно равен объёму параллелепипеда, образованного векторами(a,b,c) .
Свойства
Смешанное произведение кососимметрично по отношению ко всем своим аргументам:т. е. перестановка любых двух сомножителей меняет знак произведения. Отсюда следует, чтоСмешанное произведение в правой декартовой системе координат (в ортонормированном базисе) равно определителю матрицы, составленной из векторов и:
Смешанное произведение в левой декартовой системе координат (в ортонормированном базисе) равно определителю матрицы, составленной из векторов и, взятому со знаком "минус":
В частности,
Если любые два вектора параллельны, то с любым третьим вектором они образуют смешанное произведение равное нулю.
Если три вектора линейно зависимы (т. е. компланарны, лежат в одной плоскости), то их смешанное произведение равно нулю.
Геометрический смысл - Смешанное произведение по абсолютному значению равно объёму параллелепипеда (см. рисунок), образованного векторами и; знак зависит от того, является ли эта тройка векторов правой или левой.
Компланарность векторов.
Три вектора (или большее число) называются компланарными, если они, будучи приведенными к общему началу, лежат в одной плоскости
Свойства компланарности
Если хотя бы один из трёх векторов - нулевой, то три вектора тоже считаются компланарными.
Тройка векторов, содержащая пару коллинеарных векторов, компланарна.
Смешанное произведение компланарных векторов. Это - критерий компланарности трёх векторов.
Компланарные векторы - линейно зависимы. Это - тоже критерий компланарности.
В 3-мерном пространстве 3 некомпланарных вектора образуют базис
Линейно зависимые и линейно независимые векторы.
Линейно зависимые и независимые системы векторов. Определение . Система векторов называется линейно зависимой , если существует хотя бы одна нетривиальная линейная комбинация этих векторов, равная нулевому вектору. В противном случае, т.е. если только тривиальная линейная комбинация данных векторов равна нулевому вектору, векторы называются линейно независимыми .
Теорема (критерий линейной зависимости) . Для того чтобы система век торов линейного пространства была линейно зависимой, необходимо и достаточно, чтобы, по крайней мере, один из этих векторов являлся линейной комбинацией остальных.
1) Если среди векторов имеется хотя бы один нулевой вектор, то вся система векторов линейно зависима.
В самом деле, если, например, , то, полагая , имеем нетривиальную линейную комбинацию .▲
2) Если среди векторов некоторые образуют линейно зависимую систему, то и вся система линейно зависима.
Действительно, пусть векторы , , линейно зависимы. Значит, существует нетривиальная линейная комбинация , равная нулевому вектору. Но тогда, полагая 
, получим также нетривиальную линейную комбинацию , равную нулевому вектору.
2. Базис и размерность.
Определение
. Система линейно независимых векторов 
векторного пространства называетсябазисом
этого пространства, если любой вектор из может быть представлен в виде линейной комбинации векторов этой системы, т.е. для каждого вектора существуют вещественные числа 
такие, что имеет место равенство Это равенство называется разложением вектора
по базису , а числа называютсякоординатами вектора относительно базиса
(или в базисе
) .
Теорема (о единственности разложения по базису) . Каждый вектор пространства может быть разложен по базису единственным образом, т.е. координаты каждого вектора в базисе определяются однозначно.
Система векторов , называется линейно зависимой , если существуют такие числа , среди которых хотя бы одно отлично от нуля, что выполняется равенство https://pandia.ru/text/78/624/images/image004_77.gif" width="57" height="24 src=">.
Если же это равенство выполняется только в том случае, когда все , то система векторов называется линейно независимой .
Теорема. Система векторов , будет линейно зависимой тогда и только тогда, когда хотя бы один из ее векторов является линейной комбинацией остальных.
Пример 1.
Многочлен 
является линейной комбинацией многочленов https://pandia.ru/text/78/624/images/image010_46.gif" width="88 height=24" height="24">. Многочлены составляют линейно независимую систему, так как многочлен https://pandia.ru/text/78/624/images/image012_44.gif" width="129" height="24">.
Пример 2. Система матриц , , https://pandia.ru/text/78/624/images/image016_37.gif" width="51" height="48 src="> является линейно независимой, так как линейная комбинация равна нулевой матрице только в том случае, когда https://pandia.ru/text/78/624/images/image019_27.gif" width="69" height="21">, , https://pandia.ru/text/78/624/images/image022_26.gif" width="40" height="21"> линейно зависимой.
Решение.
Составим линейную комбинацию данных векторов https://pandia.ru/text/78/624/images/image023_29.gif" width="97" height="24">=0..gif" width="360" height="22">.
Приравнивая одноименные координаты равных векторов, получаем https://pandia.ru/text/78/624/images/image027_24.gif" width="289" height="69">
Окончательно получим
и
Система имеет единственное тривиальное решение, поэтому линейная комбинация данных векторов равна нулю только в случае, когда все коэффициенты равны нулю. Поэтому данная система векторов линейно независима.
Пример 4. Векторы линейно независимы. Какими будут системы векторов
a).
;
b).
?
Решение.
a). Составим линейную комбинацию и приравняем её к нулю
Используя свойства операций с векторами в линейном пространстве, перепишем последнее равенство в виде
Так как векторы линейно независимы, то коэффициенты при должны быть равны нулю, т. е..gif" width="12" height="23 src=">
Полученная система уравнений имеет единственное тривиальное решение 
.
Так как равенство (*) выполняется только при https://pandia.ru/text/78/624/images/image031_26.gif" width="115 height=20" height="20"> – линейно независимы;
b). Составим равенство https://pandia.ru/text/78/624/images/image039_17.gif" width="265" height="24 src=">(**)
Применяя аналогичные рассуждения, получим
Решая систему уравнений методом Гаусса, получим
или
Последняя система имеет бесконечное множество решений https://pandia.ru/text/78/624/images/image044_14.gif" width="149" height="24 src=">. Таким образом, существует, ненулевой набор коэффициентов, для которого выполняется равенство (**)
. Следовательно, система векторов – линейно зависима.
Пример 5 Система векторов линейно независима, а система векторов линейно зависима..gif" width="80" height="24">.gif" width="149 height=24" height="24">(***)
В равенстве (***) . Действительно, при система была бы линейно зависимой.
Из соотношения (***)
получаем 
или 
Обозначим 
.
Получим 
Задачи для самостоятельного решения (в аудитории)
1. Система, содержащая нулевой вектор, линейно зависима.
2. Система, состоящая из одного вектора а , линейно зависима тогда и только тогда, когда, а=0 .
3. Система, состоящая из двух векторов, линейно зависима тогда и только тогда, когда, векторы пропорциональны (т. е. один из них получается из другого умножением на число).
4. Если к линейно зависимой системе добавить вектор, то получится линейно зависимая система.
5. Если из линейно независимой системы удалить вектор, то полученная система векторов линейна независима.
6. Если система S линейно независима, но становится линейно зависимой при добавлении вектора b , то вектор b линейно выражается через векторы системы S .
c). Система матриц , , в пространстве матриц второго порядка.
10. Пусть система векторов a, b, c векторного пространства линейно независима. Докажите линейную независимость следующих систем векторов:
a). a+ b, b, c.
b). a+ https://pandia.ru/text/78/624/images/image062_13.gif" width="15" height="19">– произвольное число
c). a+ b, a+c, b+c.
11. Пусть a, b, c – три вектора на плоскости, из которых можно сложить треугольник. Будут ли эти векторы линейно зависимы?
12. Даны два вектора a1=(1, 2, 3, 4), a2=(0, 0, 0, 1) . Подобрать ещё два четырёхмерных вектора a3 и a4 так, чтобы система a1, a2, a3, a4 была линейно независимой.
Загрузка...