Не ботай

Векторы с нуля: стрелки, которые считаются по формулам

Вектор — это направленный отрезок, но для задач достаточно думать о нём как о наборе координат. Разбираем четыре операции, которые закрывают типовик: длина, сложение, скалярное произведение и угол.

Координаты и длина

Вектор в координатах — просто упорядоченный набор чисел: a⃗=(a1; a2)\vec{a} = (a_1;\, a_2) на плоскости или (a1; a2; a3)(a_1;\, a_2;\, a_3) в пространстве. Длина (модуль) считается по теореме Пифагора:

∣a⃗∣=a12+a22+a32|\vec{a}| = \sqrt{a_1^2 + a_2^2 + a_3^2}

Пример 1: длина

a⃗=(3; 4)⇒∣a⃗∣=9+16=25=5\vec{a} = (3;\, 4) \quad\Rightarrow\quad |\vec{a}| = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5

Классический «египетский» вектор — длину 3-4-5 стоит узнавать в лицо.

Сложение и умножение на число

Покоординатно, безо всяких хитростей:

a⃗+b⃗=(a1+b1; a2+b2),λa⃗=(λa1; λa2)\vec{a} + \vec{b} = (a_1 + b_1;\, a_2 + b_2), \qquad \lambda\vec{a} = (\lambda a_1;\, \lambda a_2)

Геометрически сложение — правило треугольника: приставил начало b⃗\vec{b} к концу a⃗\vec{a}, сумма — из начала первого в конец второго.

Скалярное произведение — главная операция типовика

Две формулы одного и того же:

a⃗⋅b⃗=a1b1+a2b2+a3b3иa⃗⋅b⃗=∣a⃗∣ ∣b⃗∣cos⁡φ\vec{a} \cdot \vec{b} = a_1 b_1 + a_2 b_2 + a_3 b_3 \qquad\text{и}\qquad \vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}|\,|\vec{b}|\cos\varphi

Первая — как считать по координатам, вторая — что это означает. Из их равенства достаётся угол:

cos⁡φ=a⃗⋅b⃗∣a⃗∣ ∣b⃗∣\cos\varphi = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}|\,|\vec{b}|}

Правило

Экспресс-тест перпендикулярности: a⃗⊥b⃗  ⟺  a⃗⋅b⃗=0\vec{a} \perp \vec{b} \iff \vec{a} \cdot \vec{b} = 0. Перемножил координаты, сложил, получил ноль — векторы перпендикулярны, косинусы не нужны.

Пример 2: скалярное произведение и угол

a⃗=(1; 2; 3),b⃗=(4; −1; 2)\vec{a} = (1;\, 2;\, 3), \qquad \vec{b} = (4;\, -1;\, 2)

Скалярное произведение:

a⃗⋅b⃗=1⋅4+2⋅(−1)+3⋅2=4−2+6=8\vec{a} \cdot \vec{b} = 1 \cdot 4 + 2 \cdot (-1) + 3 \cdot 2 = 4 - 2 + 6 = 8

Длины: ∣a⃗∣=1+4+9=14|\vec{a}| = \sqrt{1+4+9} = \sqrt{14}, ∣b⃗∣=16+1+4=21|\vec{b}| = \sqrt{16+1+4} = \sqrt{21}.

Косинус угла:

cos⁡φ=814⋅21=8294≈0,47\cos\varphi = \frac{8}{\sqrt{14}\cdot\sqrt{21}} = \frac{8}{\sqrt{294}} \approx 0{,}47

Произведение положительное — угол острый, φ≈62∘\varphi \approx 62^\circ.

Пример 3: проверка перпендикулярности

a⃗=(2; 1),b⃗=(−1; 2)⇒a⃗⋅b⃗=−2+2=0\vec{a} = (2;\, 1), \qquad \vec{b} = (-1;\, 2) \quad\Rightarrow\quad \vec{a} \cdot \vec{b} = -2 + 2 = 0

Векторы перпендикулярны. Заметь закономерность для плоскости: поменять координаты местами и сменить один знак — готовый перпендикуляр.

Типичные ошибки

Частые вопросы

Чем вектор отличается от точки?

Записи похожи, смысл разный: точка — это место, вектор — перемещение (направление и длина). Вектор можно откладывать от любой точки — он от этого не меняется.

Как найти координаты вектора по двум точкам?

Из координат конца вычесть координаты начала: для A(1; 2) и B(4; 6) вектор AB = (4−1; 6−2) = (3; 4). Порядок важен: BA будет с противоположными знаками.

Что показывает знак скалярного произведения?

Угол между векторами: положительное — угол острый, ноль — векторы перпендикулярны, отрицательное — угол тупой. Это самый быстрый тест на перпендикулярность в типовике.

Скалярное произведение — это вектор или число?

Число (скаляр — отсюда и название). Есть и векторное произведение, которое даёт вектор, — но это отдельная тема, и работает она только в трёхмерном пространстве.

Связанные темы

Идёшь по программе с нуля? Маршрут раздела «Линейная алгебра» подскажет, что учить следующим.