Умножение вектора на число

Справа исходный вектор a умножен на положительное число 2, а слева — на отрицательное число −1

Умноже́ние ве́ктора на число́, или умножение вектора на скаля́р[1] — операция, ставящая в соответствие вектору и числу (скаляру) другой коллинеарный вектор — произведение вектора на это число[2]. При этом произведение вектора и числа в случае ненулевых сомножителей — новый вектор, у которого[3][4][5]:

  • модуль равен произведению модуля исходного вектора на абсолютную величину числа;
  • направление, совпадающее с направлением исходного вектора, если число положительно, и противоположное, если число отрицательно.

Обозначение произведения вектора и скаляра следующее[3][4][5]:

или

В итоге получаем[3]:

Произведение вектора и числа равно нулевому вектору тогда и только тогда, когда хотя бы один из сомножителей равен нулю[3][4][5]:

Существуют два действия, обратных умножению вектора на число:

Определение

Умножение вектора на число — операция, ставящая в соответствие вектору и числу другой коллинеарный вектор — произведение вектора на это число[2].

Умножение вектора a на целое положительное число n
Умножение вектора a на целое отрицательное число -n

Умножение вектора на целое положительное число равно сложению вектора с самим собою раз. В результате возникает новый вектор с тем же направлением, что и исходный, но в раз большим модулем[6][7]:

Тогда умножение вектора на целое отрицательное число равно умножению противоположного вектора на абсолютную величину целого числа [8]:

Другими словами, в результате возникает новый вектор с направлением, противоположным исходному вектору и в раз большим модулем[3][7].

Обобщая, получаем, что произведение вектора и числа в случае ненулевых сомножителей — новый вектор, у которого[3][4][5]:

  • модуль равен произведению модуля исходного вектора на абсолютную величину числа;
  • направление, совпадающее с направлением исходного вектора, если число положительно, и противоположное, если число отрицательно.

Обозначения произведения вектора и скаляра [3][4][5]:

или

Отсюда следует, что модуль произведения вектора и скаляра равен произведению их модулей[3]:

Произведение вектора и числа равно нулевому вектору тогда и только тогда, когда хотя бы один из сомножителей равен нулю[3][4][5]:

Законы умножения на скаляр

Три закона умножения вектора на скаляр те же самые, что и законы умножения чисел[3]:

;
;
;
.

Теорема 1. Закон переместительности. Произведение вектора на число не изменяется при перестановке сомножителей[3]:

Доказательство. По определению произведение вектора на число равно произведению числа на вектор, обе эти операции тождественны[3].

Теорема 2. Закон сочетательности для числовых множителей. Последовательное произведение вектора на несколько чисел равно произведению вектора на произведение чисел[7][9][10]:

Теорема 3. Закон двоякой распределительности. Почленно можно вычислять произведения сумм[11][12]:

  • векторов на число (закон распределительности числового сомножителя относительно суммы векторов[2]):
;
  • чисел на вектор (закон распределительности векторного сомножителя относительно суммы чисел[2])[7]:
.

Доказанная формула закона распределительности числового сомножителя относительно суммы векторов

;

верна и для нескольких векторов[7]:

.

Деление векторов

Деление вектора на число

Деление вектора на число (англ. scalar division of a vector) — первая операция, обратная умножению вектора на число, ставящая в соответствие вектору и числу другой коллинеарный вектор — частное вектора и числа. Другими словами, по произведению вектора на число и числу определяется вектор-сомножитель. При этом частное  — это второй вектор такой, что [16].

Частное вектора и числа определяется умножением вектора на обратное число[14][17]:

.

Деление вектора на вектор

Деление вектора на вектор (англ. vector division), причём второй вектор ненулевой, — вторая операция, обратная умножению вектора на число, ставящая в соответствие двум коллинеарным векторам, причём второй вектор ненулевой, число — частное, или отношение[18], двух коллинеарных векторов. Другими словами, по произведению ненулевого вектора на число и второму коллинеарному вектору определяется число-сомножитель. При этом частное  — это число такое, что [19].

Частное, или отношение, двух коллинеарных векторов и , причём второй вектор ненулевой, вычисляется следующим образом[19][20]:

  • ;
  • , если векторы и сонаправлены, , если векторы и противоположно направлены, и , если .

Частное равных векторов равно 1. Два вектора взаимно противоположны, если их частное равно −1, тогда их можно обозначить и . Частное нулевого вектора и любого другого ненулевого равно нулю. Частное любого вектора и нулевого не определено[20]. Если , то [21].

Для любых трёх векторов , и , причём векторы и ненулевые, выполняется следующее равенство[22][21]:

.

Деление вектора на вектор используется при разложении вектора в одномерном случае[23][24].

Разложение вектора

Геометрическое вычитание векторов — операция, обратная геометрическому сложению векторов. Кроме неё, обратной операцией к сложению векторов является геометрическое разложение вектора, или просто разложение вектора — операция представления данного вектора в виде замыкающей нескольких векторов. Геометрически строится ломаная линия, которую замыкает данный вектор. Но так эту операцию определить нельзя, и чтобы её определить, нужно наложить на геометрические слагаемые определённые условия, которые рассматриваются в следующих трёх разделах[7].

Одномерный случай

Умножение вектора на положительные (синие) и отрицательные (красные) числа: частное синих векторов и чёрного вектора равны 2 и 0,5; частные красных векторов и чёрного вектора равны –1 и –0,4

Векторы Если векторы и связаны соотношением

,

то они коллинеарны. Обратное утверждение также справедливо по следующей теореме[23].

Теорема 4. Разложение вектора по одному коллинеарному вектору. Любой вектор можно единственным образом выразить через коллинеарный вектор [23][24]:

,

где  — число, которые вычисляется так, как показано в предыдущем разделе Деление векторов.

Рассмотрим случай равенства единице модуля одного из коллинеарных векторов, то есть когда этот вектор единичный, или орт. Орт вектора обозначают или [23][25].

Орт вектора называется также направлением вектора[23].

Теорема 5. Любой вектор равен произведению его орта на его модуль, другими словами, умножение орта вектора на его модуль даёт сам вектор[26][23]:

.

Эта формула замечательна тем, что в ней оба элемента, которые характеризуют вектор, разделены[23]:

  • модуль вектора ;
  • направление вектора .

Двумерный случай

Разложение вектора по двум векторам

Если два вектора и не коллинеарны, то третий вектор — сумма векторов

будет всегда параллелен плоскости, которую определяют векторы и , то есть эти три вектора компланарны, так как геометрическая сумма векторов, лежащих в одной плоскости, лежит в той же плоскости. Обратное утверждение также справедливо, как показывает следующая теорема[23].

Теорема 6. Разложение вектора по двум неколлинеарным векторам, если все три вектора компланарны. Любой вектор единственным способом выражается через неколлинеарные ненулевые векторы и , компланарные исходному[23]:

.
Векторное уравнение прямой

Теорема 7. Уравнение прямой. Уравнение прямой, проходящей через заданную точку с радиус-вектором и параллельной заданному вектору , задаётся следующим радиус-вектором произвольной точки прямой [29]:

.

Другими словами, радиус-вектор произвольной точки заданной прямой (относительно произвольной фиксированной точки ) разлагается на сумму радиус-вектора заданной точки прямой и направляющего вектора прямой с числовым коэффициентом .

Доказательство. Рассмотрим вектор :

,

следовательно, вектор коллинеарен вектору , и точка всегда находится на прямой, параллельной вектору и проходящей через точку [29].

Трёхмерный случай

Теорема 8. Разложение вектора по трём некомпланарным векторам. Любой вектор трёхмерного пространства единственным способом выражается через некомпланарные ненулевые векторы [28][30]:

.

Координаты вектора — числовые коэффициенты вектора относительно [31].

Примечания

  1. Перевод на англ. см. в закладке «Обсуждение» статьи
  2. 1 2 3 4 Умножение вектора на число, 1984.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 23.
  4. 1 2 3 4 5 6 Пытьев Ю. П. Векторная алгебра, 1977, с. 633.
  5. 1 2 3 4 5 6 Пытьев Ю. П. Векторная алгебра, 1988, с. 108.
  6. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 22.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Кочин Г. Ф., 1965, с. 11.
  8. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 22—23.
  9. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 23—24.
  10. 1 2 3 4 Атанасян Л. С. и др., 2014, с. 219.
  11. 1 2 3 4 5 6 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 24.
  12. 1 2 3 4 5 Атанасян Л. С. и др., 2014, с. 219—220.
  13. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 24—25.
  14. 1 2 3 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 25.
  15. Атанасян Л. С. и др., 2014, с. 220.
  16. Выгодский М. Я., 1977, с. 123.
  17. Выгодский М. Я., 1977, , с. 123.
  18. Александров П. С., 1968, с. 18.
  19. 1 2 Выгодский М. Я., 1977, с. 124.
  20. 1 2 Александров П. С., 1968, с. 19.
  21. 1 2 Постников М. М., 1973, с. 27.
  22. Александров П. С., 1968, с. 20.
  23. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Кочин Г. Ф., 1965, с. 12.
  24. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 27.
  25. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 26.
  26. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 26.
  27. 1 2 Кочин Г. Ф., 1965, с. 12—13.
  28. 1 2 3 4 5 6 Кочин Г. Ф., 1965, с. 13.
  29. 1 2 Кочин Г. Ф., 1965, с. 15.
  30. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 30.
  31. Лаптев Г. Ф., 1975, с. 31.
  32. 1 2 Лаптев Г. Ф., 1975, с. 29—30.

Источники