Site Loader

Содержание

Создание отчетов о векторах атак — Azure Defender for IoT

  • Чтение занимает 2 мин
Были ли сведения на этой странице полезными?

Оцените свои впечатления

Да Нет

Хотите оставить дополнительный отзыв?

Отзывы будут отправляться в корпорацию Майкрософт. Нажав кнопку «Отправить», вы разрешаете использовать свой отзыв для улучшения продуктов и служб Майкрософт. Политика конфиденциальности.

Отправить

В этой статье

Сведения об отчетах о векторах атак

Отчеты о векторах атак содержат графическое представление цепочки уязвимостей устройств, подверженных злонамеренному использованию. Эти уязвимости могут предоставить злоумышленнику доступ к ключевым сетевым устройствам. Симулятор векторов атак вычисляет векторы атак в реальном времени и анализирует все векторы атак для определенного целевого объекта.

Работа с вектором атаки позволяет оценить влияние действий по устранению рисков в последовательности атаки. Затем можно определить, например, нарушит ли обновление системы цепочку атак или у злоумышленника останется альтернативный путь атаки. Эти сведения помогают определить приоритеты действий по исправлению и устранению рисков.

Примечание

Описанные в этом разделе процедуры могут выполнять администраторы и аналитики безопасности.

Создание отчета о векторах атак

Чтобы создать имитацию векторов атак, выполните следующие действия:

  1. Выберите в боковом меню, чтобы добавить имитацию.

  1. Укажите свойства имитации:

    • Name (Имя) — имя имитации.

    • Maximum vectors (Максимальное число векторов) — максимальное количество векторов в одной имитации.

    • Show in Device map (Показывать на схеме устройства) — вектор атаки будет отображаться в виде фильтра на схеме устройства.

    • All Source devices (Все исходные устройства) — все устройства для вектора атаки будут представлять собой источник атаки.

    • Attack Source (Источник атаки) — источник атаки для вектора атаки будут представлять собой только указанные устройства.

    • All Target devices (Все целевые устройства) — все устройства для вектора атаки будут представлять собой цель атаки.

    • Attack Target (Цель атаки) — цель атаки для вектора атаки будут представлять собой только указанные устройства.

    • Exclude devices (Исключение устройств) — указанные устройства будут исключены из имитации векторов атак.

    • Exclude Subnets (Исключение подсетей) — указанные подсети будут исключены из имитации векторов атак.

  2. Выберите элемент Add Simulation (Добавить имитацию). Имитация будет добавлена в список имитаций.

  3. Выберите элемент , чтобы изменить имитацию.

    Нажмите элемент , чтобы удалить имитацию.

    Выберите элемент , если нужно пометить имитацию как избранную.

  4. Появится список векторов атак с указанием оценки вектора (из 100), а также устройств, представляющих собой источник и цель атаки. Выберите атаку, чтобы посмотреть графическое изображение векторов атак.

См. также раздел

Отчеты о векторах атак

Векторы в пространстве [wiki.eduVdom.com]

Компланарные векторы — векторы, лежащие в одной плоскости или в параллельных плоскостях.

Признак компланарности трёх векторов. Если вектор $\vec{c}$ можно разложить по векторам $\vec{a}$ и $\vec{b}$, т.е. представить в виде $\vec{c} = x\vec{a} + y\vec{b}$, где

x и y – некоторые числа, то векторы $\vec{a}\,,\, \vec{b}$ и $\vec{c}$ компланарны.

Правило параллелепипеда — правило сложения трёх некомпланарных векторов, состоящее в том, что все три вектора откладывают из одной точки и строят параллелепипед таким образом, чтобы данные векторы были его рёбрами. Тогда вектор, отложенный из той же точки и совпадающий с диагональю параллелепипед, будет суммой трёх данных векторов.

Вектор $\vec{p}$ разложен по трём некомпланарным векторам $\vec{a}, \vec{b}$ и $\vec{c}$, если его можно представить в виде $\vec{p}=x\vec{a}+y\vec{b}+z\vec{c}$, где x, y и z — коэффициенты разложения.

Теорема о разложении вектора по трём некомпланарным векторам. Любой вектор можно разложить по трём данным некомпланарным векторам, причём коэффициенты разложения определяются единственным образом.

Прямоугольная система координат в пространстве — три взаимно перпендикулярные прямые x, y, z, на которых выбраны направление и единица измерения отрезков, которые лежат в трёх разных плоскостях xy, yz, xz и имеют общую точку пересечения O.

Оси координат — прямые x, y, z с выбранными на них направлениями.

Начало координат — точка их пересечения

О.

Оси координат в пространстве обозначают Ox, Oy, Oz (соответственно ось абсцисс, ось ординат, ось аппликат).

Координатные векторы — единичные векторы, направление которых совпадает с положительным направлением координатных осей.

Вектор $\vec{i}$ совпадает по направлению с осью абсцисс, вектор $\vec{j}$ совпадает по направлению с осью ординат, вектор $\vec{k}$ – с осью аппликант.

Любой вектор $\vec{c}$ можно разложить по координатным векторам: $$\vec{c}=x\vec{i}+y\vec{j}+z\vec{k}$$

Координаты вектора $\vec{c}$ в данной системе координат — коэффициенты разложения x, y и

k, которые определяются единственным образом: $\vec{c}(x\;;\;y\;;\;z)$.

Действия с векторам по координатам в пространстве.

Если $\vec{a}=(x_1\;;\;y_1\;;\;z_1)\;;\;\vec{b}=(x_2\;;\;y_2\;;\;z_2)$ , то

  • сумма $(\vec{a}+\vec{b})=(x_1+x_2\;;\;y_1+y_2\;;\;z_1+z_2)$

  • разность $(\vec{a}-\vec{b})=(x_1-x_2\;;\;y_1-y_2\;;\;z_1-z_2)$

  • произведение числа k и вектора $\vec{a}$: $k\vec{a}=(kx_1\;;\;ky_1\;;\;kz_1)$

  • скалярное произведение $\vec{a}\cdot\vec{b}=x_1x_2+y_1y_2+z_1z_2$

Длина вектора $\vec{a}=(x\;;\;y\;;\;z)$ вычисляется по формуле $|\vec{a}|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$



ЛЕКЦИЯ N3

 назад | содержание | вперед


 

ЛЕКЦИЯ N4.

 

Векторное пространство. Линейные операции над векторами.

Векторная алгебра.

 

1.Векторное пространство.

2.Векторная алгебра.

3.Системы координат.  

1.Векторное пространство.

 

Рассмотрим теперь множество К и поле P произвольной природы. Предположим, что для всех элементов из К определены операции сложения и умножения на числа из Р. Будем называть элементы из К векторами, независимо от их конкретной природы.

    Множество К называется  линейным или векторным пространством над полем P,

если для всех векторов из К определены операции сложения и умножения на числа из P, причем выполнены следующие аксиомы:

А. Каждой паре векторов x, y отвечает вектор x+y, называемый суммой x и y, причем:

—         сложение коммутативно: x+y=y+x;

—         сложение ассоциативно: x+(y+z)=(x+y)+z;

—         существует единственный нулевой вектор 0 такой, что x+0=x для любого вектора x;

—         для каждого вектора x существует единственный противоположный вектор x, такой, что x+(-x)=0.

В. Каждой паре a, x, где a — число, а x – вектор, отвечает вектор ax, называемый произведением a и x, причем:

—         умножение на число ассоциативно: a(bx)=(ab)x;

—         x=x для любого вектора x.

С. Операция сложения и умножения связаны между собой следующими соотношениями:

—         умножение на число дистрибутивно относительно сложения векторов: a(x+y)=ax+ay;

—         умножение на вектор дистрибутивно относительно сложения чисел: (a+b)x=ax+bx.

 

В любом линейном пространстве для каждого вектора x имеет место равенство x=0, где в правой части 0 означает нулевой вектор, а в левой – число нуль.

В любом линейном пространстве для любого вектора x справедливо соотношение

–x=(-1)x.

В любом линейном пространстве имеет место равенство 0=0 для любого a.

С точки зрения операций умножения, сложения и вычитания формально имеют место все правила эквивалентных преобразований алгебраических выражений в любом линейном пространстве. В дальнейшем эти правила мы уже не будем оговаривать особо.

Множество L линейного пространства К называется его линейным подпространством, если при тех же операциях, что и в пространстве К, оно само является линейным пространством.

Множество, состоящее из одного нулевого вектора, является линейным подпространством. Это подпространство называется нулевым.

Наименьшим подпространством является нулевое, наибольшим – само исходное линейное пространство. Эти два пространства называются тривиальными, остальные – нетривиальны.

Каждое линейное пространство в своем описании содержит две существенно различные части. Во-первых, линейное пространство есть совокупность конкретных объектов, называемых векторами. Во-вторых, над этими конкретными объектами определены операции сложения и умножения на число. Поэтому можно интересоваться либо природой векторов и их свойствами, либо свойствами указанных операций независимо от природы элементов.

Во всех практически интересных случаях построение и исследование линейных пространств осуществляется в два этапа: сначала, учитывая природу векторов, определяют операции сложения и умножения на число, а затем на основе свойств этих операций изучают сами пространства. Поэтому два пространства, устроенные одинаково по отношению к операциям сложения и умножения на число, можно считать обладающими одинаковыми свойствами.

Рассмотрим множество всех линейных пространств, заданных над одним и тем же полем Р. Естественно спросить, чем похожи и чем различаются между собой эти пространства.

Векторы любого класса допускают однозначное представление в виде перемещений (то есть направленных отрезков) в геометрическом пространстве.

В большинстве приложений векторы появляются как функции точки в геометрическом пространстве.

2.Векторная алгебра.

    Векторы представляют собой направленные отрезки в пространстве, имеющие                        определенную длину. Вектор —  отрезок определенной длины, одна из ограничивающих точек которого принята за начало, а другая – за конец.

Длина вектора (модуль) – расстояние между ограничивающими его точками.

К векторам относится и нуль-вектор, у которого начало и конец совпадают.

Определение: Векторы называются коллинеарными, если они располагаются на одной

прямой или на параллельных прямых, то есть если существует прямая, которой они параллельны.

Определение: Векторы называются компланарными, если они лежат в одной

плоскости или если существует плоскость, которой они параллельны. Если компланарные векторы имеют общее начало, то они лежат в одной плоскости.

Определение: Векторы называются равными, если они имеют равные модули,

коллинеарны и направлены в одну сторону. (Если вектора направлены в противоположные стороны при равных модулях и наличии коллинеарности, то они противоположны).

Вектор можно переносить параллельно самому себе, помещая его начало в любую

точку пространства.

Сложение векторов

 

       Пусть даны два вектора  а и b.

1.      Возьмем произвольную точку 0 и построим вектор ОА=a, потом от этой же точки отложим вектор ОВ=b. Построим на этих векторах, как на сторонах, параллелограмм OAСB. Вектор ОС, являющийся диагональю параллелограмма, проведенной из вершины 0, и будет суммой векторов а+b.

 

2.      От произвольной точки 0 отложим вектор ОА=а , затем от точки А отложим вектор АВ=b. Вектор, соединяющий начало первого слагаемого с концом второго, будет суммой этих векторов ОВ=а+b.

 

 

                                      

 

a                    b              

                        

                                           

 

Свойства сложения векторов

 

I.                    Сложение векторов коммутативно (переместительное свойство):

а+b=b+а

II.                 Сложение векторов ассоциативно (сочетательное свойство):

а+(b+c)=(а+b)+c

      Сумму любого конечного числа векторов можно построить по следующему правилу: из произвольной точки 0 откладывается вектор, равный первому слагаемому вектору. К концу первого вектора присоединяется начало второго, к концу второго – начало третьего и т.д. Суммой данных векторов будет вектор, соединяющий начало первого вектора с концом последнего.

      Разность векторов – это третий вектор с=a-b, сумма которого с вычитаемым вектором b дает a.

      Правило построения вектора разности: откладываем векторы OA=a и OB=b из общей точки 0. Вектор, соединяющий концы уменьшаемого вектора a и вычитаемого вектора b, и направленный от вычитаемого к уменьшаемому, и будет разностью векторов a и b.

 

              A                                           

                                                      

      a                                                

                                                   

                     

O        b     B                              

 

       Если на векторах a и b, отложенных из общей точки, построить параллелограмм, то вектор OC (одна диагональ параллелограмма) равен сумме a+b, а вектор BA (другая диагональ) равен разности a-b.

 

Для просмотра анимации нажмите.

                                                                                                                                           

Умножение вектора на скаляр.

 

     Пусть даны вектор a и число λ. Произведением вектора a на число λ называется вектор с, коллинеарный вектору а, имеющий длину |с|=|λ|×|а| и то же направление, что и вектор а, если λ>0, и противоположное направление, если λ<0.

     Из определения умножения вектора на число следует, что если b=λa, то векторы b и a коллинеарны. Очевидно, что из коллинеарности векторов следует, что b=λa.

Определение: вектора a и b коллинеарны тогда и только тогда, когда имеет

место равенство b=λa.

1). Для любых чисел λ и γ и любого вектора а справедливо равенство λ(γа)=(λγ)а.

2). Пусть существует вектор а не равный нулю. Для любого коллинеарного ему вектора b существует, и притом только одно λ, удовлетворяющее равенству:

ba.

     Это число либо λ=|b|/|a|, либо λ=-|b|/|a| в зависимости от того направлены ли вектора a и b одинаково или противоположно.

    Умножение вектора на число обладает распределительным свойством λ(a+b)=λab, (λ12)a1a2a.

     Вектор, длина которого равна единице, называется единичным.

     Каждый вектор равен произведению его модуля на единичный вектор того же направления (это следует из определения умножения вектора на число).

Угол между двумя векторами.

     Пусть даны два произвольных вектора a и b. Отложим от произвольной точки векторы OA=a, OB=b. Угол между векторами – это угол, на который надо повернуть один из векторов до его совпадения со вторым.

     Рассмотрим ось l, положительное направление которой совпадает с направлением единичного вектора l°, расположенного на оси. Тогда, углом между вектором и осью будет угол между векторами а, l°.

Проекция вектора на ось и составляющая вектора по оси.

 

 

         

 

 

                                                                     

 

 

 

Проекцией вектора a на ось l называется длина отрезка A/B/, заключенного между основаниями перпендикуляров, опущенных на ось из начала и конца вектора a, которой приписан знак «+», если отрезок A/B/ ориентирован в положительную сторону относительно 0l и знак “-“, если наоборот.

 

                                  

 

                         

 

 

 

                                                     

Теорема 1: Проекция вектора а на ось l равна модулю вектора а, умноженному на косинус угла между вектором и осью: ПРOl(a)=|a|cosφ.

Теорема 2:  проекция суммы двух векторов на ось равна сумме проекций слагаемых векторов на ту же ось AC=AB+BC; ПРOlAC=ПРOl(AB)+ПРOl(BC)

Теорема 3: если вектор a умножить на число λ, то его проекция на ось также умножится на это число: ПРOla)=λ×ПРOl(a)

      Определение: вектор, соединяющий проекцию начала вектора а с проекцией его конца, называется составляющей вектора а по оси Ol: сост.Ol=ПРOla×l°=AB.

 

Линейная зависимость векторов.

     Векторы a1, a2,…,ak называются линейно зависимыми, если существуют числа λ1, λ2,…,λк, не все равные нулю, для которых имеет место равенство λ1а1+λ2а2+…+λкак=0.

     Векторы а12,…,ак называются линейно независимыми, если равенство (I) имеет место только при λ12=…=λк=0 (то есть в тривиальном случае).

     Полагая, что, например, λ1≠0 запишем: а1=-(λ2а2)/λ1-(λ3а3)/λ1-…-(λкак)/λ1

     Выражение в правой части – линейная комбинация векторов а23,…,ак.

     Если несколько векторов линейно зависимы, то хотя бы один из них всегда можно представить в виде линейной комбинации остальных (верно и обратное).

Линейная зависимость векторов на плоскости.

Теорема 1: всякие три вектора a, b, c на плоскости линейно зависимы.

Доказательство: нужно доказать, что один из векторов является линейной комбинацией остальных.

1)      среди векторов есть пара коллинеарных, пусть a и b, то есть ab или ab+0×c, то есть a есть линейная комбинация b и c.

2)      Коллинеарных векторов нет.

Перенесем все три вектора в общее начало.

Для просмотра анимации нажмите.

 

 

 

 

 

 

 

 Через конец вектора a проведем прямые, параллельные векторам c и b до пересечения с прямыми, на которых находятся вектора b и c. Тогда, очевидно, что OM=OC+OB, но OC и OB коллинеарны b и c соответственно, то есть OC1c; OB2b.

     Поэтому, a1c2b, то есть является линейной комбинацией векторов b и c.

    Следствие: Если число данных векторов на плоскости больше трех, то они также линейно зависимы, то есть один из них можно представить в виде линейной комбинации остальных.

Доказательство: пусть даны а12,…,ак; к>3

Из теоремы имеем а12а23а3

Тогда для k векторов а12а23а3+…+0×аk, что и требовалось доказать.

Теорема 2: Для того, чтобы два вектора на плоскости были линейно независимы, необходимо и достаточно, чтобы они были неколлинеарны.

     Два коллинеарных вектора линейно зависимы.

     Максимальное число линейно независимых векторов на плоскости равно двум.

 

Линейная зависимость в пространстве.

 

Теорема 3: всякие четыре вектора a, b, c, d в пространстве линейно зависимы.

 

Доказательство: Пусть все векторы имеют общее начало. Покажем, что один из векторов является линейной комбинацией остальных.

 

1)      Пусть среди них есть тройка компланарных (a, b, c). Так как все компланарные векторы выходят из одной точки, то значит, они лежат в одной

плоскости, а по теореме I они линейно зависимы, то есть один можно записать в виде линейной комбинации остальных: а2b3c

И для четырех: a2b3c+0×d, то есть a – линейная комбинация b, c, d.

2)      Среди них нет тройки компланарных.

  Тогда вектор а можно представить в виде суммы трех векторов, коллинеарных соответственно b,c,d.

 

 

Для просмотра анимации нажмите.

Для этого через точку M проведем плоскости параллельные трем

плоскостям, определяемым парами b,c; c,d; d,b, и получим параллелепипед с диагональю а=OM. Очевидно, а=OM=OM1+M1P+PM.

Но OM1=λ1b, M1P=OM22c, PM=OM33d.

Следовательно, a1b2c3d, то есть a,b,c,d линейно зависимы.

Следствие: 1) Если число векторов в пространстве больше четырех, то они линейно зависимы.

3)      для того, чтобы три вектора были компланарны, необходимо и достаточно, чтобы они были линейно зависимы.

4)      Максимальное число линейно независимых векторов в пространстве равно трем.

Базисом на плоскости называются два любых линейно независимых вектора. Пусть е1и е2образуют базис. Любой вектор а на плоскости можно представить в виде: а1е12е(так как три вектора на плоскости линейно зависимы), то есть разложить по базису.

Числа λ1, λ2 – аффинные координаты вектора а на плоскости а={λ1; λ2}.

Теорема 4: разложение вектора а по базису е1 и е2является единственным.

Доказательство: пусть существует разложение одного вектора а по базису е12; а1е12е2; а1е12е2

Вычтем второе уравнение из первого: 0=(μ11)е1+(μ22)е2

Но е1и е2 линейно независимы, поэтому μ11=0; μ22=0, то есть μ11; μ22 и разложение по базису единственно. Базис в пространстве – это три любых линейно независимых вектора. Всякие три некомпланарных вектора образуют базис.

Любой вектор а однозначно разлагается по векторам базиса: а1е12е23е3; где λ1, l2, λ3 – аффинные координаты вектора в пространстве.

 

3.Системы координат

 

     Фиксируем в пространстве т.О и рассматриваем произвольную точку М. Радиусом-вектором т. М по отношению к точке О называется вектор ОМ. Если в пространстве кроме точки О выбран некоторый базис, то точке М можно сопоставить упорядоченную тройку чисел – компоненты ее радиус-вектора.

Определение: декартовой системой координат в пространстве называется совокупность точки и базиса.

Точка носит название начала координат; прямые, проходящие через начало координат в направлении базисных векторов, называются осями координат. Первая – ось абсцисс, вторая – ось ординат, третья – ось аппликат. Плоскости, проходящие через оси координат, называются координатными плоскостями.

 

Рассмотрим прямоугольную систему координат в пространстве Oxyz. На каждой из осей выберем единичный вектор, направление которого совпадает с положительным направлением оси: векторы i, j, k, причем |i|=|j|=|k|=1. Эти три взаимно-перпендикулярных вектора называются ортами. Так как эти орты некомпланарны, то они образуют базис,

называемый декартовым ортогональным. Рассмотрим некоторый вектор а в пространстве, переместим его в точку О, то есть построим ОМ=а. Проведя через конец вектора а плоскости, параллельные координатным осям, получим параллелепипед.

а=ОМ11Р+РМ, где М1Р=ОМ2; МР=ОМ3

Векторы ОМ1, ОМ2, ОМ3 – составляющие вектора а=ОМ по осям Ox, Oy, Oz ОМ1=ПРОхОМ×i, ОМ2=ПРОуОМ×j, ОМ3=ПРОzOM×k.

Обозначим проекции вектора а=ОМ на оси Ox, Oy, Oz – ax, ay, az. Тогда, разложение вектора по ортогональному базису будет таким: а=axi+ayj+azk. Это разложение вектора на составляющие по координатным осям. Если проекции вектора а на оси координат равны ax, ay, az, то можно записать: а={ax, ay, az}. Это прямоугольные декартовы координаты. Линейные операции над векторами можно заменить арифметическими действиями над их проекциями:

λа=λaxi+λayj+λazk

a±b=(ax±bx)i+(ay±by)j+(az±bz)k

Направление вектора в пространстве определяется углами α, β, γ, которые вектор составляет с осями координат.

Для просмотра анимации нажмите.

 

 

 

 

 

 

 

 

Косинусы этих углов называются направляющими косинусами вектора а:

ax=|a|×cosa, то есть cosa=;

ay=|a|×cosb, то есть cosb=;

az=|a|×cosg, то есть cosg=.

 

Вектор a=OM – диагональ параллелепипеда, а зная теорему о диагонали прямоугольного параллелепипеда: |OM|2=|OM1|2+|OM2|2+|OM3|2 и |a|=; получим cos2a+cos2b+cos2g=1.

 

Условия коллинеарности двух векторов.

 

     Пусть вектор a=axi+ayj+azk и b=bxi+byj+bzk коллинеарны. Тогда, a=λb. Но при умножении вектора на число его проекции на оси также умножаются на это число. Тогда, ax=λbx; ay=λby; az=λbz.

Верно и обратное.

Итак, для коллинеарности двух векторов необходимо и достаточно, чтобы их проекции были пропорциональны:  ax/bx=ay/by=az/bz.

%d1%80%d0%b0%d0%b7%d0%bb%d0%be%d0%b6%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d0%b5%20%d0%b2%d0%b5%d0%ba%d1%82%d0%be%d1%80%d0%b0 — с русского на все языки

Все языкиРусскийАнглийскийИспанский────────Айнский языкАканАлбанскийАлтайскийАрабскийАрагонскийАрмянскийАрумынскийАстурийскийАфрикаансБагобоБаскскийБашкирскийБелорусскийБолгарскийБурятскийВаллийскийВарайскийВенгерскийВепсскийВерхнелужицкийВьетнамскийГаитянскийГреческийГрузинскийГуараниГэльскийДатскийДолганскийДревнерусский языкИвритИдишИнгушскийИндонезийскийИнупиакИрландскийИсландскийИтальянскийЙорубаКазахскийКарачаевскийКаталанскийКвеньяКечуаКиргизскийКитайскийКлингонскийКомиКомиКорейскийКриКрымскотатарскийКумыкскийКурдскийКхмерскийЛатинскийЛатышскийЛингалаЛитовскийЛюксембургскийМайяМакедонскийМалайскийМаньчжурскийМаориМарийскийМикенскийМокшанскийМонгольскийНауатльНемецкийНидерландскийНогайскийНорвежскийОрокскийОсетинскийОсманскийПалиПапьяментоПенджабскийПерсидскийПольскийПортугальскийРумынский, МолдавскийСанскритСеверносаамскийСербскийСефардскийСилезскийСловацкийСловенскийСуахилиТагальскийТаджикскийТайскийТатарскийТвиТибетскийТофаларскийТувинскийТурецкийТуркменскийУдмурдскийУзбекскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийФарерскийФинскийФранцузскийХиндиХорватскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧеркесскийЧерокиЧеченскийЧешскийЧувашскийШайенскогоШведскийШорскийШумерскийЭвенкийскийЭльзасскийЭрзянскийЭсперантоЭстонскийЮпийскийЯкутскийЯпонский

 

Все языкиРусскийАнглийскийИспанский────────АлтайскийАрабскийАрмянскийБаскскийБашкирскийБелорусскийВенгерскийВепсскийВодскийГреческийДатскийИвритИдишИжорскийИнгушскийИндонезийскийИсландскийИтальянскийКазахскийКарачаевскийКитайскийКорейскийКрымскотатарскийКумыкскийЛатинскийЛатышскийЛитовскийМарийскийМокшанскийМонгольскийНемецкийНидерландскийНорвежскийОсетинскийПерсидскийПольскийПортугальскийСловацкийСловенскийСуахилиТаджикскийТайскийТатарскийТурецкийТуркменскийУдмурдскийУзбекскийУйгурскийУкраинскийУрумскийФинскийФранцузскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧеченскийЧешскийЧувашскийШведскийШорскийЭвенкийскийЭрзянскийЭсперантоЭстонскийЯкутскийЯпонский

Снова о векторах Текст научной статьи по специальности «Математика»

структуры и моделирование 2014. №2(30). С. 32-48

УДК 372.851:514.112

СНОВА О ВЕКТОРАХ

Б.Б. Банчев

гл. асс., к. инф. н., e-mail: [email protected]

Институт математики и информатики — БАН, София, Болгария

Аннотация. В школьном курсе геометрии векторы наделяются спорными определениями, а их присутствие не убеждает в своей полезности — будучи слабо связанным с остальным материалом, оно является в значительной мере самоцельным. В статье показывается, что векторы могут быть гораздо более содержательным и полезным инструментом геометрии, а точнее планиметрии, причём это касается не только изучаемого в школе. Для этого предлагается определение вектора, лучше соответствующее сущности этого понятия, а также применение более полной арифметики векторов. Последнее позволяет выразить весьма важные, но ошибочно пренебрегае-мые школьной геометрией свойства и отношения, и этим делает возможными недоступные по-другому вычисления. Таким образом, традиционный для школы классический подход к геометрии гармонично дополняется аналитическим аппаратом. Применение векторов в доказательствах теорем и решениях задач показано на ряде примеров.

Ключевые слова: геометрия в школе, арифметика векторов, применение векторов.

Введение

Векторы присутствуют в школьной геометрии несколько десятков лет, и необходимость их изучения давно уже не подвергается сомнению. Казалось бы, смысл введения векторов и польза от их применения в доказательствах и решениях задач должна быть сразу видна по современным учебникам. Однако при внимательном рассмотрении это является весьма сомнительным. Почему?

Проблемы создаёт уже само введение понятия вектора. Сегодня наиболее распространено чреватое серьёзными недостатками определение вектора как направленного отрезка. Ошибочным на наш взгляд является и вводить понятие, исходя из направленности физических величин — как будто векторы и нужно изучать в основном по физическим, а не геометрическим побуждениям.

Наибольшее неудовлетворение вызывает применение векторов. Доказательств теорем аппаратом векторов почти нет (если не считать теорем о самих векторах), а большинство задач, якобы иллюстрирующих пользу от применения векторов, либо легко решается и без них, либо выглядит надуманно.

Вместе с тем, ряд геометрических свойств и отношений, где естественно ожидать применение векторов с пользой, выразить данным аппаратом оказыва-

ется трудно или невозможно. Среди этих свойств и отношений — ориентация на плоскости, по часовой стрелке или против неё, преобразования плоскости — такие как поворот и осевая симметрия, относительное расположение точек, а также ряд других. Например, школьники обычно узнают, что точку пересечения медиан aABC можно найти как среднее арифметическое координат вершин A, B и C, т. е. среднее радиус-векторов A, B и C. А как выразить точки пересечения высот, биссектрис или серединных перпендикуляров, или же площадь a ABC через те же A, B и C ? А как определить по расположению точек A, B и C ориентирован ли контур a ABC по часовой стрелке?

Задачи даже такого простого вида отсутствуют в школьных учебниках. Множество таких задач нелегко даже формулировать на обычном языке школьной геометрии. В действительности же они должны быть не только решаемы, а решаемы систематическим способом. В частности, разлагаемость любого вектора по двум неколлинеарным векторам должна непосредственно применяться для нахождения точек, отрезков и отношений в треугольниках, но изложение векторов как оно есть не позволяет этого.

В итоге, векторы в школьном курсе геометрии вводятся при помощи спорных определений, а само их присутствие слабо интегрировано с остальным материалом и в значительной мере самоцельно. Трудно согласиться, что в таком виде оно как-нибудь заметно способствует освоению тех знаний и умений, которые призвана дать обучающимся геометрия.

Цель настоящей статьи — показать каким образом в школьной (и не только) геометрии, а точнее планиметрии, векторы могут быть гораздо более содержательным и полезным инструментом, чем сейчас. Прежде всего выберем определение вектора, которое лучше соответствует природе этого понятия, чем используемые сегодня.

1. Определение вектора

Парадоксально, что наиболее распространённым определением вектора в школьных учебниках разных стран оказалось «вектор — направленный отрезок». Добросовестный читатель сразу заметит, что оно ошибочно. Согласно этому определению вектор является геометрической фигурой, и ему должны быть присущи свойства фигуры. Точнее, он должен состоять из точек, иметь общие точки с другими фигурами и в частности векторами, принадлежать некоторой прямой и сам содержать в себе другие векторы того же и противоположного направления.

Конечно, такое понимание вектора бессмысленно и его следует не допускать. Для этого нужно как минимум оговорить, что направленный отрезок, являясь новым понятием, уже не есть отрезок и вообще фигура. Или что он все-таки фигура, но мы должны не обращать внимания на факт принадлежности точек отрезку и т. п. В действительности ничего даже и не оговаривают, а ошибочное определение так и перекочёвывает из учебника в учебник.

Недостатком определения является и то, что им обособляются у вектора начальная и конечная точки: вектор есть направленный отрезок, а это — отрезок,

для которого указано, заметим, не просто направление (одно из двух), а какая из его граничных точек считается началом и какая — концом. Но если вектор — это величина с длиной и направлением, то при чем здесь начало и конец?

Типичная ситуация в учебнике: для введения понятия вектора объясняют, что это — величина с длиной и направлением, приводятся примеры из физики (сила, скорость) и вдруг начинают говорить об отрезках с началом и концом. Резонно спросить, а что у скорости является началом и концом?

Определение вектора было бы чуть менее неправильным, если бы вместо направленных отрезков рассматривали упорядоченные пары точек: тогда вектор не был бы отрезком и фигурой. Но и в этом случае налицо лишнее и запутывающее привязывание понятия к начальной и конечной точкам.

Усложнения возникают и дальше. Определяя вектор как направленный отрезок, приходится уточнять, какие векторы являются равными — это отрезки с одинаковыми длинами и направлениями, т. е. присутствие начальных и конечных точек нужно все-таки «сгладить». Но то же самое нужно делать и определяя координаты вектора через координаты его «начала» и «конца»: ведь надо обосновать, что именно у тех направленных отрезков, которые являются равными векторами, равны и координаты. И опять с тем же самым сталкиваемся, определяя сумму векторов и умножение вектора на число: нужно обосновать, что сумма и произведение получаются теми же, если подставить равные векторы вместо равных. Или же нужно как можно раньше ввести в рассмотрение координаты векторов и доказывать все свойства в терминах координат.

Имеются и другие способы определения понятия вектора: совокупность направленных отрезков одинаковой длины и направления, параллельный перенос, координатная пара чисел, радиус-вектор (точки относительно некоторой фиксированной точки), элемент абстрактного (определяемого лишь его свойствами) векторного пространства. У каждого из них свои преимущества и практически все они были испробованы в учебниках для школы.

Вместе с тем, все определения вызывают те или иные методологические неудобства или затруднения. С координатными парами или элементами абстрактного векторного пространства, например, свойства векторов доказываются проще, но само определение становится отвлечённым и в частности теряет прямую связь с геометрией. Также отвлечённо для школьников определять вектор и как совокупность чего бы то ни было. Предложенное же

A. Н. Колмогоровым и другими авторами определение вектора как параллельный перенос мы считаем методологически ошибочным. Хотя данные два понятия близки, они не тождественны: векторы и действия с ними — это язык, на котором выражаются вычисления, и последние могут касаться самых разнообразных геометрических сущностей, а не только параллельных переносов.

Косвенным свидетельством того, насколько непросто решить, как определять понятие вектора, является то интересное обстоятельство, что в учебниках

B. Г. Болтянского (с соавторами) с 1963 по 1998 год встречается четыре существенно разных определения.

На каком в конце концов определении вектора остановиться?

Появление векторов в XIX в. связано с попытками расширить понятие числа

так, чтобы можно было при помощи новых чисел и подходящих действий с ними проводить геометрические вычисления — снабдить геометрию (и физику) алгебраическим аппаратом, который, в отличие от координатного метода, имел бы истинно геометрическое содержание. Вот почему векторы (и ряд других понятий) имеют корни и в геометрии, и в алгебре. В связи с этим, а также ввиду действительного использования векторов в геометрии, на наш взгляд лучше всего определить вектор как «геометрическое число».

Конечно, само это словосочетание не является определением, его нужно уточнять. Но оно сразу обращает внимание на главное: а) подобно обычным, хорошо знакомым числам, векторы — величины, над которыми проводятся вычисления; б) эти вычисления имеют геометрическую природу — и у данных, и у результатов имеется геометрический смысл.

Обобщения понятия числа, разумеется, не новость в математике. Так из натуральных чисел возникли числа целые, среди которых есть и отрицательные. Путём обобщения возникли и дробные, и вещественные, и комплексные числа.

Те же самые обобщения хорошо знакомы и школьной математике, и вводятся они в ней также постепенно, по мере осознания вычислительной необходимости. Ввиду этого появление векторов, которым придаётся смысл чисел, не должно вызывать когнитивных трудностей.

Особенность векторов как чисел состоит в том, что им свойственны размер и направление. Размер — это неотрицательное действительное число, а значит, вектор — такое же, но направленное число. Действительное число со знаком также отличается размером и направлено в соответствии с этим знаком, но знак задаёт одно из всего двух возможных направлений. Поэтому действительное число со знаком — все равно что вектор на прямой. У векторов же на плоскости направление и берётся на плоскости, а там возможностей сделать это имеется бесконечно много. Именно таким образом вектор является обобщением действительного числа.

Итак, вектор для нас — не направленный отрезок, и не что-либо другое, а число несколько особого рода. Геометрический смысл векторов раскрывается введением нужных нам действий с ними. В частности, так как желательно, чтобы сложение векторов могло быть использовано для нахождения результата от последовательно прилагаемых параллельных переносов, определяем его так, чтобы оно удовлетворяло правилу треугольника.

Здесь и появляются направленные отрезки и откладывание, но лишь как средство наглядного представления векторов. Направленным отрезком мы можем записать, представить вектор, но сам отрезок вектором не является. Точно так же и пара координат используется как форма представления вектора в некоторой системе координат, но сама пара — не вектор (так же, как и не точка). Наконец, любую точку тоже можно использовать для представления вектора — так называемого радиус-вектора, связываемого с данной точкой.

Стоит обратить внимание и на то, что комплексное число тоже является обобщением действительного числа, при этом схожим с вектором. У него тоже

есть геометрическое истолкование.1 У векторов и комплексных чисел разные наборы операций и свойства этих операций. Но и сходство между вектором и комплексным числом, и то, что различие между ними алгебраическое, подтверждают естественность понимания вектора как числа.

Одно из преимуществ нашей трактовки векторов состоит в том, что можно и не давать особого определения равенства векторов, его можно подразумевать: так же как и для вещественных чисел, вектор с данными размером и направленностью единственен. Разумеется, теперь нужно определить соответствие между векторами и представляющими их направленными отрезками (ненулевому вектору соответствует множество отрезков), но это намного естественнее, чем постулировать разные объекты равными, как это имеет место в определении вектора как направленного отрезка.

2. Действия с векторами. Ориентация на плоскости

Умножение вектора на число, сложение и вычитание векторов имеют непосредственно геометрический смысл, который, как было упомянуто, принято связывать с параллельным переносом. Однако одними этими действиями можно выражать лишь очень немного из свойств геометрических объектов и отношений между ними. Единственное оставшееся изучаемое в школе действие — скалярное умножение, тоже не очень расширяет применимость векторов. Оно и включено в базовое обучение математике не во всех странах, а уже само его введение связано с трудностями.

Одна такая трудность состоит в том, что, если определять скалярное произведение через функцию косинуса, как обычно и делают, то приходится до того знакомить с тригонометрическими функциями. Дальше мы увидим, что в рамках нашего подхода можно обойтись без тригонометрии.

Вторая трудность касается геометрического смысла скалярного произведения. Как правило, оно вводится само по себе, без всякой мотивировки, а уж потом «оказывается», что с помощью его знака можно определить вид угла как острый, тупой или прямой. Абсолютное же значение скалярного произведения так и остаётся без какого-либо общего истолкования.

В рамках нашего подхода к изложению векторов скалярное произведение вводится после и на основе двух других действий, имеющих более непосредственный геометрический смысл. Определение этих двух действий имеет отношение к понятию ориентации на плоскости.

Ориентация является существенной частью пространственного мышления. Когда речь идёт о плоскости, это понятие относится к одному из двух направлений поворота — направо или налево, или, что то же самое — к направлению вращения по часовой стрелке или против неё. Ориентация на плоскости проявляется также и как направление угла или отношение предшествования лучей относительно некоторого направления поворота, как ориентированность замкнутых линий и в частности — контуров фигур, как положение точки от-

1 Геометрические применения комплексных чисел подробно рассмотрены например в [3].

носительно направленной прямой. v, —и и —V, взятых в этой последовательности (рис. 1). Если и и V коллинеарные, включая любой из них или оба равны 0, параллелограмм вырождается в отрезок или точку и его площадь равна нулю. При неколлинеарных u и v ориентированная площадь параллелограмма есть число со знаком: положительный, если u предшествует v, и отрицательный, если наоборот. Считаем, что u предшествует v (и V), когда содержащий u луч можно повернуть на угол меньше развёрнутого в положительном направлении до наложения с направлением v.

Параллелограмм, образованный парой (V, и), отличается от порождённого (и, V) ориентацией контура и знаком площади, как на рис. 1, где и V. Дуговые стрелки обозначают угол поворота от первого ко второму вектору.

Косое произведение естественным образом обобщает простейшую формулу нахождения площади: прямоугольника по его сторонам. Беря вместо прямоугольника любой параллелограмм, произведение от числового становится косым, и множители уже не сами стороны, а получаемые из них векторы.

На пару (и, V) натянуты также треугольники (и, V, —(u+v)) и (и, V—и, —V), у которых та же ориентация, что у параллелограмма по (и, V), а площадь на-

Рис. 1. Ориентированные параллелограммы (и,у) и (у,и)

половину (на рис. 2 показаны эти два треугольника для тех же u и v, что на рис. 1). Поэтому ориентированная площадь обоих треугольников равна 1 и х V.

Итак, абсолютное значение uхv вычисляет площадь треугольника и параллелограмма, а его знак указывает на коллинеарность векторов (и х V = 0) или предшествование и V (и х V >0) или V и (и х V < 0).

<

0

-(V х и) |и|М

(иЧ-

и- X V-

Рис. х то)

Кроме того, если и(ж1;у1) и v(x2;у2), то в положительно ориентированной системе координат имеет место и-(—у1; х1) и и х V = х1 у2 — х2 у1.

Наконец, скалярное произведение любых двух векторов и и V можно определить, наряду с другими возможностями, как и ■ V = V х и-. Этим обеспечиваем произведение, взаимно дополняющееся по смыслу с косым: его значение — 0 для перпендикулярных векторов (как косое для коллинеарных), а знак различает острый угол между векторами (и■ V >0) от тупого (и■ V < 0), так же как знак косого произведения указывает направление предшествования.

(к и + к’ V)-(к и + к’ V) х то

и

Рис. 3. Косое и скалярное произведения

На рис.3 показаны две фигуры, чьи площади равны косому и скалярному произведениям векторов — это параллелограммы, натянутые соответственно на (и, V) и (V, и-). Когда угол от и к V изменяется от нулевого до прямого, высота, а вместе с ней и площадь первого параллелограмма — косое произведение — растёт от 0 до своего максимально возможного значения. Площадь второго параллелограмма — скалярное произведение — наоборот, уменьшается от максимального значения до нуля.

Алгебраические свойства скалярного произведения, его представление в координатах, а также то, что его абсолютное значение равняется произведению длины одного вектора на величину проекции на его направление другого вектора, выводятся из свойств ± и х.

3. Прямые следствия

Знак косого произведения векторов позволяет вычислять всевозможные связанные с ориентацией отношения. Наиболее непосредственно это применимо к соответствию между парами векторов и тройками точек на плоскости.

■ Любые три точки А, В и С на плоскости либо коллинеарны, либо образуют тройку, равно как и треугольник, ориентированные, при фиксированном порядке перечисления точек, либо отрицательно, либо положительно. Ориентацию можно определить по предшествованию заданных точками векторов, т. е. по знаку их косого произведения. Например, дАВС (а также дВСА и дСАВ

ориентированы положительно, если для «соначальных» векторов АВ и А выполнено АЙ х —С > 0 или для «последовательных» векторов —В> и В(С выполнено АВ> х ВС > 0. Точки А, В и С коллинеарны, если произведение любых двух получаемых от них векторов равно 0.

В зависимости от задачи, можно именно так по заданным трём точкам, образуя векторы, найти ориентацию тройки, а можно и по заданным векторам и точке, откладывая векторы с общим началом или последовательно, узнать ориентацию тройки из данной точки и получающихся при откладывании концов направленных отрезков.

■ Определение того, находится ли точка слева или справа от направленной прямой, также сводится к вычислению косого произведения: точка Р слева, если АВ х Ас > 0, где А и В — точки на прямой и она направлена по АВ .

■ Критерии коллинеарности типа существования, например, «существует число, которое, умноженное на вектор a, даёт вектор Ь», обладают небольшой полезностью, так как не являются непосредственными. Чтобы доказать коллинеарность, нужно доказать существование данного числа или чисел, а для этого чаще всего требуется найти такие числа. Это само по себе может быть затруднительным, а и ведь по отношению к самому факту коллинеарности знание любых чисел является по существу лишней информацией.

Поэтому равенство нулю косого произведения как критерий коллинеарности очень важно с практической точки зрения. Одно из его применений — составление уравнения прямой. Если прямая задана точкой А на ней и вектором направления u (или же второй точкой В, так что и = АВ ), то для любой точки Р на прямой вектор Ас коллинеарен u и уравнением прямой является

АР х и = 0,

которое самым прямым способом выражает зависимость между неизвестным Р и данными А и u и которое, к тому же, и в пространстве задаёт эту же прямую.((Р х V) и + (и х р) V). (1)

и X V

В частности, для V = их:

р = -1 ((и ■ р) и + (и х р) их). (2)

u

Кроме как для получения для данного p слагаемых, коллинеарных u и v, равенства (1) и (2) можно использовать и наоборот, для нахождения неизвестного p. Для этого нужно найти значения произведений во внутренних скобках непрямым способом, что нередко оказывается возможным, исходя из их геометрического смысла. Примеры этому даны в следующем разделе.

■ Можно доказать множество связанных с векторами тождеств и других зависимостей. Приводим несколько тождеств, выводимых весьма непосредственно и пользуясь только векторной арифметикой (но не тригонометрией и не фигурной наглядностью). = 1)

(u х v) w + (v х w) u + (w х u) v = 0 (следствие из (1) для любых, включая коллинеарных, u , v и w )

(u ■ v) (v х w) + (u х v) (v ■ w) = (u х w) v2 , (u ■ v) (v ■ w) — (u х v) (v х w) = (u ■ w) v2 (аналоги тригонометрических формул синуса и косинуса суммы углов)

Для любых векторов u, v и w, таких, что u + v + w = 0, выполнено: u2 — v ■ w = v2 — w ■ u = w2 — u ■ v = —(u ■ v + v ■ w + w ■ u) = 1 (u2 + v2 + w2) , (u ■ v)(v ■ w) + (v ■ w)(w ■ u) + (w ■ u)(u ■ v) = S2 ,

где S — удвоенная площадь треугольника со сторонами-векторами u, v и w.

4. Примеры применения векторов

В этом разделе приводим, сопровождая их короткими комментариями, некоторое количество теорем и задач, решаемых с помощью векторов. Везде, где требуется найти точку, условие или что-либо другое по данным точкам или векторам, предполагается предъявление зависящего от этих данных выражения. Таким образом, с одной стороны, находим решения в общем виде, а с

другой — их конечно можно применять к точкам и векторам с конкретными координатами, получая такие же конкретные результаты.

Везде в примерах переменная 5 обозначает удвоенную площадь дАВС.

■ По заданным точкам А, В, С и Б определить, является ли четырёхугольник АВСБ квадратом. J Хотя это можно сделать разными способами, скорее всего самый простой ответ даёт пара условий — В+СБ = 0 и

± Я? = 0: первое обеспечивает, что АВСБ — параллелограмм, второе — что диагонали равны и перпендикулярны одна другой. Отметим, что в координатах проверка условий состоит всего в нескольких сложениях и вычитаниях чисел; не требуется нахождения длин и т. п.

■ Определить какой из трёх случаев имеет место для четырёхугольника АВСБ, заданного своими вершинами: выпуклый, вогнутый или самопересекающийся. А Данные три случая имеют место, когда число внутренних диагоналей соответственно 2, 1 или 0. Диагональ внутренняя, когда оставшиеся две вершины находятся по разные стороны от содержащей диагональ прямой (по существу решается задача: пересекаются ли отрезок и прямая), что сводится к проверке знаков косых произведений. Так, АС внутренняя, если знаки у Ж? АВ и Ж? х АБ разные; аналогично для ВБ.

■ Найти площадь (невырожденного) четырёхугольника АВСБ по заданным его вершинам. J Диагональю АВСБ разбивается на два треугольника. Складывая их площади при соблюдении ориентации, получаем

При этом значение положительно, когда А, В, С, Б, в этом порядке, расположены против часовой стрелки, т. е., г = 1, 2 (из уравнений прямых). Итак: X = ((Р2 х и2) и1 + (и1 х Р1) и2)/(и1 х и2).

■ Найти необходимое и достаточное условие, при котором три прямые, заданные точками Р1, Р2 и Р3 на них и параллельными им векторами, соответственно и1, и2 и и3, имеют общую точку или параллельны одна другой. Л Если и1 х и2 = 0, то у прямых 1 и 2 есть точка пересечения X, которая определяется как выше. Если X лежит и на прямой 3, то из уравнения

этой прямой имеет место и3 х X = и3 х Р3. Заменяя левую сторону правой в равенстве, полученном умножением через и3х равенства для X, находим

(Р1 х и1)(и2 х и3) + (Р2 х и2)(и3 х и1) + (Р3 х и3)(и1 х и2) = 0, что выполнено и для параллельных (и х и, = 0) прямых.

■ Найти площадь треугольника, образованного точками пересечения трёх заданных как в предыдущей задаче прямых (предполагаем, что в каждой паре прямые не параллельны и не совпадают).

■ Доказать, что если на каждой стороне четырёхугольника внешне построить квадрат, то отрезки, соединяющие центры квадратов, соответствующих противолежащих сторон, перпендикулярны и одинаковой длины. Это теорема Ван-Обеля о четырёхугольнике. А Обозначив вершины четырёхугольника через А, В, С и Б, а его стороны через а = АВ( Ь = В(, с = СБ и в = Б А , находим центры квадратов: А + 1/2 (а — ах) и аналогично для B, C и D, а через них — и векторы, заданные направленными отрезками, накрест соединяющими эти центры. Утверждение сводится к тому, что один вектор является «перпом» другого; это проверяется непосредственно.

Из доказательства видно, что в действительности теорема верна для любых точек А, В, С и Б: четырёхугольник может и пересекаться, а точки совпадать. Достаточно строить квадраты по одну и ту же сторону, слева или справа, от осей АВ, ВС, СБ и БА.

■ Найти точки касания прямых через точку Р к окружности к с центром С и радиусом г^ Пусть в = —Р. ux Обратим внимание, что из всех примеров это единственный, где в явном виде ссылаемся на угол, точнее — на функции от угла, и в данном случае такая ссылка необходима по существу.

Для дальнейшего примем обозначения a = |ВС|, b = |СА|, c = |AB|, а также a = Ж?, b = G?, c = A?.

■ Найти центр O описанной около дАВС окружности. Л O находится как точка пересечения серединных перпендикуляров сторон. Получаем:

O = ((B2-C2) A + (C2-A2) B + (A2-B2) C)/S = (A2 a+ B2 b + C2 c)/S ■

■ Найти центр I вписанной в дАВС окружности. А Используя (1), можно выразить -I

-А выражениями для удвоенных площадей дABI, дА1С и дАВС. В итоге находим I = A + (bc — cb) = 2p (aA + bB + cC), где p — полупериметр дАВС.

■ Найти ортоцентр H дАВС.)(1—V) = 0. Это прямая и обратная теоремы Чевы для непараллельных прямых. А Утверждение является прямым следствием предыдущей теоремы.

Все вышеприведённые задачи можно рассматривать в той или иной степени как теоремы: результат в них находится в общем виде и его можно применять для решения других задач. Это сделано намеренно, чтобы показать силу векторного аппарата как раз для выражения разнообразных общих зависимостей, а не просто как средства производить вычисления над конкретными координатами. Подчеркнём, что решения именно аппаратом векторов приведённых задач довольно прямо вытекают из условий и почти все являются короткими.

Список таких результатов можно значительно удлинить, например теоремами: относящимися к метрическим соотношениям, порождаемым чевианами в треугольнике — теоремы Ван-Обеля о треугольнике, Жергонна, Стюарта и пр.; о трансформациях на плоскости; о построениях; о вычислении площадей.

5. Достоинства применения аппарата векторов

Изложенное выше и, в более широком плане, опыт автора, обусловливают приведённые здесь наблюдения и выводы.

Алгебраический подход в геометрии на основе векторного исчисления чрезвычайно эффективен. Он дополняет традиционное содержание геометрии, не вытесняя его. С его помощью развивается более полное представление о геометрических зависимостях, включая в рассмотрение таких, которые сегодняшняя школьная математика почему-то избегает. Многие задачи, такие как нахождение точек, ориентации, расстояний, уравнений, которые школьная геометрия плохо или никак не решает или даже не в состоянии формулировать, являют собой примеры простых применений векторов.

Если задача не вполне определена, построение вычислением может помочь выявить и параметризовать семейства решений. В частности, в явном виде и точно можно выразить выбор: который из двух концов отрезка, которое из двух противоположных направлений, по которую сторону от оси и т. д.

Алгебраический подход в геометрии, и в частности векторный, помогает выявить и оценить качественно и количественно свойства, отношения и особенности, которые без него могут остаться незамеченными. Примером этому является определение вида некоторого числового результата по задающему его выражению — целый, рациональный, вещественный, со знаком или без. Так, формула площади треугольника через косое произведение прямо говорит, что если вершины любого многоугольника заданы в целочисленных координатах, то его площадь (разбиением на треугольники) будет либо целой, либо половиной целого, а если координаты рациональные, то такой будет и площадь.

«Координатную геометрию» как алгебраический аппарат геометрии удаётся в значительной степени заменить истинно геометрическим средством проведения вычислений и рассуждений, где выражения и уравнения обладают непосредственно геометрическим смыслом. И процесс составления выражений и уравнений в векторах, и сами они, по сравнению с координатными, намного более непосредственно выражают суть геометрических зависимостей.

Так как действия с векторами часто включают неявное манипулирование углами, уменьшается необходимость и в применении тригонометрии (которая так или иначе к геометрии имеет несколько косвенное отношение).

С применением векторного аппарата получение результатов становится более планомерным делом. В доказательствах и построениях на место изобретательства и озарений (дополнительные построения, косвенные пути к цели) приходят вычисления.

Рассуждения и построения вычислением:

являются строгими — в отличие от неформальных рассуждений, состоят из немногих, чётко определённых элементов, поддаются механическому выполнению,

проверяемы — рассуждение правильно, если вычисление является таким, легко реализуются в виде программ для компьютера.

Последнее из перечисленных обеспечивает естественную связь геометрии с информатикой. В более широком смысле, полноценным использованием векторов открывается возможность формулировать и решать задачи алгоритмического характера. Например, указать процедуру, которая по спискам вершин двух выпуклых многоугольников строит общую к ним касательную.

6. Дополнительные замечания

«Геометрческие числа», т.е. направленные геометрические количества в лице обобщённых чисел, появились в математике в XIXв. Наряду с векторами или подобными им понятиями рассматривались и направленные величины любой размерности. Тогда же появились и действия, эквивалентные или подобные косому произведению и перпу.

Однако присутствию векторов в планиметрии не повезло. Одна из породив-шихся моделей геометрического исчисления на основе направленных величин развилась исключительно в расчёте на применения в физике и поэтому оказалась преимущественно пространственной: это то, что сегодня знакомо как векторная алгебра и анализ. В них планиметрии уделяется мало внимания и поэтому и косое произведение, и перп отсутствуют. Другие, более общие модели геометрического исчисления, либо остались преимущественно алгебраическими, либо не нашли широкой поддержки. Таким образом, применение векторов в планиметрии осталось неразвитым. Помимо этого, даже тому ограниченному пониманию векторов, которое оказалось распространённым, пришлось мучительно пробивать себе путь в школьную геометрию.

Итак, с одной стороны, рассматриваемые в этой статье операции косого произведения и поворота на прямой угол не новые, а с другой, их практическое

применение слабо развито. Его приходится выискивать по крупицам и прежде всего — развивать самому.

Автор занимался этим в связи с преподаванием вычислительной (алгоритмической) геометрии студентам и школьникам.3 В случае последних было особо желательным избежать ссылок на матрицы, детерминанты и пр. реквизит традиционной аналитической геометрии, что и удалось благодаря продвинутому применению векторов. Накопленный при этом опыт позволяет считать, что усиленное присутствие аппарата векторов могло бы заметно улучшить изучение геометрии и в школе, и в вузах.

Понимание вектора как направленного отрезка критиковал в своё время с несколько иных позиций А. Д. Александров. В статье [1], а также в серии учебников, и до сегодня среди самых востребованных, он дал другое определение вектора, в какой-то степени схожее с нашим. Различные аспекты определения и изложения векторов в школьном курсе рассматривались и другими авторами.

В последние годы интенсивно развивается и популяризируется так называемая геометрическая алгебра — современное, конкретизированное для геометрии перевоплощение одной из алгебр Клиффорда, возрождающее подход многоразмерного геометрического исчисления. Однако по нашему мнению геометрическая алгебра, хотя и является инструментом более общим и мощным чем векторы, по сравнению с ними тяжеловата и менее интуитивна — для школы её вряд ли можно считать пригодной.

Литература

1. Александров А.Д. Так что же такое вектор? // Математика в школе. 1984. №.5. С. 39-46.

2. Банчев Б.Б. Vecta: программная библиотека для векторной арифметики. ИМИ, 2010. URL: http://www.math.bas.bg/bantchev/vecta (действительно к 9/2014).

3. Понарин Я.П. Алгебра комплексных чисел в геометрических задачах. М.: МЦНМО, 2004. 160 с.

4. Bantchev B.B. Calculating with vectors in plane geometry. // Proc. 37th Spring Conference of the Union of Bulgarian Mathematicians, April 2008. pp. 261-267.

3Ранний вариант некоторых результатов был опубликован в [4], а [2] — программная реализация векторной арифметики.

48

B.B. BaHneB. CHOBa o BeKTopax

VECTORS REVISITED

B.B. Bantchev

Assist. Prof., PhD, e-mail: [email protected]

Institute of Mathematics and Informatics — BAS, Sofia, Bulgaria

Abstract. In school and college geometry, vectors are being defined in a questionable manner, and their very presence does not convince of its usefulness: as it is weakly related to the rest of the material, it remains, to a large extent, an end in itself. We show that vectors can be a much more substantial and useful tool of geometry, namely plane geometry — this pertaining not only to school and college levels. Proposed is a definition of vector that better suits the essence of the concept, as well as a more complete arithmetic of vectors. The latter allows the expression of important geometric properties and relations now mistakenly neglected in school and college, and so enables various kinds of otherwise unattainable calculations. Thus, the classic approach to geometry is harmonically complemented by calculational means. Applying vectors to proving theorems and solving problems is demonstrated on a number of examples.

Keywords: school and college geometry, vector arithmetic, application of vectors.

Векторы. Основные определения. Проекция вектора на оси

Определение. Векторы называются коллинеарными, если они расположены на одной или параллельных прямых. Нулевой вектор коллинеарен любому вектору.

Определение. Векторы называются компланарными, если существует плоскость, которой они параллельны.

Коллинеарные векторы всегда компланарны, но не все компланарные векторы коллинеарны.

Определение. Векторы называются равными, если они коллинеарны, одинаково направлены и имеют одинаковые модули.

Всякие векторы можно привести к общему началу, т.е. построить векторы, соответственно равные данным и имеющие общее начало. Из определения равенства векторов следует, что любой вектор имеет бесконечно много векторов, равных ему.

Свойства векторов.

1)

+ = + – коммутативность. 2) + (+ ) = ( + )+

3)

+ = 4) +(-1) = 5) () = () – ассоциативность

6) (+)

=  +  – дистрибутивность 7) ( + ) =  +  8) 1 =

Для определения положения произвольной точки могут использоваться различные системы координат. Положение произвольной точки в какой- либо системе координат должно однозначно определяться. Понятие системы координат представляет собой совокупность точки начала отсчета (начала координат) и некоторого базиса.

Декартова система координат.

Декартовой системой координат в пространстве называется совокупность точки и базиса. Точка называется началом координат. Прямые, проходящие через начало координат называются осями координат.

1-я ось – ось абсцисс; 2-я ось – ось ординат; 3-я ось – ось апликат

Чтобы найти компоненты вектора нужно из координат его конца вычесть координаты начала.

Если заданы точки А(x1, y1, z1), B(x2, y2, z2), то

= (x2 – x1, y2 – y1, z2 – z1).

Длина вектора в координатах определяется как расстояние между точками начала и конца вектора. Если заданы две точки в пространстве А(х1, y1, z1), B(x2, y2, z2), то

.

Свойства проекции:

Проекция вектора на ось равна произведению длины вектора

на косинус угла между вектором и осью:

.

При умножении вектора на число его проекция на ось также умножается на это число.

Проекция суммы векторов на ось равна сумме проекций слагаемых:

§2. Проекция вектора на заданное направление — ЗФТШ, МФТИ

1. Проекция вектора на заданное направление. 

Пусть заданы два вектора `vec a` и `vec b`. Приведём эти векторы к одному началу `O` (рис[email protected]`,  то косинус такого угла отрицателен (см. рис. 11).

Проекция равна нулю, если направления векторов `vec a` и `vec b` взаимно перпендикулярны (см. рис. 12).

Проекции равных векторов на любые направления равны друг другу. Проекции противоположных векторов отличаются знаком.

Легко показать, что проекция суммы векторов равна алгебраической сумме их проекций и что при умножении вектора на число его проекция умножается на то же число.

2. Разложение вектора.

До сих пор мы говорили о сложении векторов. Для решения многих задач бывает необходимо произвести обратную процедуру — разложить вектор на составляющие, например, найти несколько сил, которые своим совместным действием могли бы заменить одну данную силу. Такая операция называется разложением сил.

Пусть на плоскости задан вектор `vec a` и две пересекающиеся в точке `O`  прямые `AO` и `OB` (см. рис. 13).

Вектор `vec a` можно представить в виде суммы двух векторов, направленных вдоль заданных прямых[email protected]) ~~ 0,37`.

3. Проектирование вектора на оси координат. 

Особенно важен частный случай разложения вектора по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Пусть на плоскости задана прямоугольная система координат `xOy` и некоторый вектор `vec a`. Отложим из начала координат вдоль положительного направления осей `Ox` и `Oy` векторы `vec i` и `vec j` соответственно такие, что `|vec i| = 1` и `|vec j| = 1`. Векторы `vec i` и `vec j`  назовём единичными векторами.

Перенесём  вектор `vec a` так,  чтобы его начало совпало с началом координат. Пусть  в  этом положении он изображается направленным отрезком `AO` (рис. 14).

Опустим из точки `A` перпендикуляры на оси `Ox` и `Oy`. Тогда  векторы `vec(a_x)` и `vec(a_y)` будут  составляющими  вектора `vec a` по координатным осям, причём вектор `vec(a_x)` будет коллинеарен вектору `vec i`, а вектор `vec(a_y)` — коллинеарен вектору `vecj`. Следовательно, существуют такие  числа `a_x` и `a_y`, что `vec(a_x) = a_x vec i` и `vec(a_y) = a_y vec j`. Таким образом, вектор `vec a` может быть представлен в виде разложения по осям:

`vec a = vec(a_x) + vec(a_y) = a_x vec i + a_y vec j`.                                                         (3)

Числа `a_x` и `a_y` суть проекции вектора `vec a` на направления векторов `vec i` и `vec j` соответственно, то есть на оси `Ox` и `Oy`. Используется и иная, чем (3), форма записи векторов, а именно `vec a = (a_x ; a_y)`.

Иногда говорят о составляющей вектора вдоль одной единственной оси — без указания второй. Просто молчаливо предполагается, что вторая ось перпендикулярна первой (но почему-то не нарисована).

Пусть угол между положительным направлением оси `Ox` и вектором `vec a` равен `alpha` (рис.14). Тогда `a_x = a cos alpha`, `a_y = a sin alpha`.

В зависимости от значения угла `alpha` проекции вектора `vec a` на оси прямоугольной системы координат могут быть положительными, отрицательными или равными нулю.2)`                                                                                 (4)

и 

`»tg»  alpha = (a_y)/(a_x)`                                                                                 (5)

причём знаки `a_x` и `a_y` будут указывать на то, какому квадранту при­надлежит значение `alpha`.

4. Пусть теперь нам задано векторное равенство `vec a + vec b = vec c` (рис. 15).

Проектируя все векторы на оси координат, получим очевидные равенства 

`c_x = a_x + b_x`,  `c_y = a_y + b_y`,

или

`c_x = a cos alpha + b cos beta`,

`c_y = a sin alpha + b sin beta`,

т. е. по проекциям  векторов `vec a` и `vec b` легко находятся проекции суммарного вектора `vec c`.

Physics4Kids.com: Движение: Векторы


Сила — одна из многих вещей, которые являются векторами. Что за вектор? Ты сможешь подержать это? Нет. Ты можешь это посмотреть? Нет. Это что-нибудь делает? Ну не совсем. Вектор представляет собой числовое значение в определенном направлении и используется как в математике, так и в физике. Вектор силы описывает определенное количество силы и ее направление. Чтобы иметь вектор, вам нужны и значение, и направление. Оба. Очень важно.Ученые называют эти две величины направлением и величиной , величиной (размером). Альтернатива вектору — скаляр. Скаляры имеют значения, но направление не требуется. Температура, масса и энергия являются примерами скаляров.

Когда вы видите векторы, нарисованные в физике, они нарисованы в виде стрелок. Направление стрелки — это направление вектора, а длина стрелки зависит от величины (размера) вектора.

Представьте себе ситуацию, когда вы находитесь в лодке или самолете и вам нужно проложить курс.По пути нет улиц и указателей. Вам нужно будет спланировать навигацию на карте. Вы знаете, с чего начинаете и где хотите быть. Проблема в том, как туда добраться. Пришло время использовать пару векторов. Нарисуйте вектор между двумя точками и начните свой путь. Двигаясь по своему курсу, вы, вероятно, немного отклонитесь от курса из-за ветра или водных течений. Просто вернитесь к карте, найдите свое текущее местоположение и нарисуйте новый вектор, который приведет вас к месту назначения.Капитаны используют векторы (они знают скорость и направление) для построения своих курсов. Мы надеемся, что вы умеете складывать и вычитать. Ученые часто используют векторы для графического представления ситуаций. Когда у них одновременно работает много векторов, они рисуют все векторы на листе бумаги и помещают их из конца в конец . Когда все векторы на бумаге, они могут взять начальную и конечную точки, чтобы выяснить ответ. Последняя линия, которую они рисуют (от начальной до конечной), называется результирующим вектором .Если вам не нравится рисовать линии, вы всегда можете использовать геометрию и тригонометрию для решения проблем. 2 + (- 4) 2) | 𝒂 ⃗ × 𝒃 ⃗ | = √ (25 + 1 + 16) = √𝟒𝟐 Площадь параллелограмма ABCD = | 𝑎 ⃗ × 𝑏 ⃗ | = √42 Следовательно, требуемая площадь равна √𝟒𝟐.Пусть единичный вектор равен 𝒂 ⃗ Мы знаем это 𝑎 ⃗ = 𝑥𝑖 ̂ + y𝑗 ̂ + z𝑘 ̂ Поскольку вектор находится в плоскости XY, координата Z отсутствует. Следовательно, 𝑎 ⃗ = x𝑖 ̂ + y𝑗 ̂ + 0𝒌 ̂ 𝒂 ⃗ = 𝒙𝒊 ̂ + y𝒋 ̂ Взяв общий вектор 𝑎 ⃗, Создание угла 𝛉 с осью x Единичный вектор в направлении оси x равен 𝑖 ̂, а по оси y равен 𝑗 ̂ Угол с осью X Поскольку 𝑎 ⃗ составляет угол θ с осью x Итак, угол между 𝒂 ⃗ и 𝒊 ̂ равен θ Мы знаем это, 𝑎 ⃗.𝑏 ⃗ = | 𝑎 ⃗ || 𝑏 ⃗ | cos θ, Положив 𝑎 ⃗ = 𝑎 ⃗, 𝑏 ⃗ = 𝑖 ̂ & θ = θ 𝒂 ⃗ .𝒊 ̂ = | 𝒂 ⃗ || 𝒊 ̂ | cos θ 𝑎 ⃗ .𝑖 ̂ = 1 × 1 × cos θ 𝑎 ⃗. 𝑖 ̂ = cos θ (𝑥𝑖 ̂ + y𝑗 ̂ + 0𝑘 ̂). 𝑖 ̂ = cos θ (𝑥𝑖 ̂ + y𝑗 ̂ + 0𝑘 ̂). (1𝑖 ̂ + 0𝑗 ̂ + 0𝑘 ̂) = cos θ 𝑥.1 + y.0 + 0.0 = cos θ (Поскольку 𝑎 ⃗ — единичный вектор, | 𝑎 ⃗ | = 1 & 𝑖 ̂ — единичный вектор, | 𝑖 ̂ | = 1) х = cos θ Угол с осью Y 𝑎 ⃗ составляет угол (90 ° — θ) с осью y Итак, угол между 𝒂 ⃗ и 𝒋 ̂ составляет (90 ° — θ) Мы знаем это, 𝑎 ⃗.𝑏 ⃗ = | 𝑎 ⃗ || 𝑏 ⃗ | cos θ, Положив 𝑎 ⃗ = 𝑎 ⃗, 𝑏 ⃗ = 𝑗 ̂ & θ = (90 ° — θ) 𝒂 ⃗ .𝒋 ̂ = | 𝒂 ⃗ || 𝒋 ̂ | cos (90 ° — θ) 𝑎 ⃗ .𝑗 ̂ = 1 × 1 × cos (90 ° — θ) 𝑎 ⃗ .𝑗 ̂ = cos (90 ° — θ) 𝒂 ⃗ .𝒋 ̂ = грех θ (Поскольку 𝑎 ⃗ — единичный вектор, | 𝑎 ⃗ | = 1 & 𝑗 ̂ — единичный вектор, | 𝑗 ̂ | = 1) (𝑥𝑖 ̂ + y𝑗 ̂ + 0𝑘 ̂). 𝑗 ̂ = грех θ (𝑥𝑖 ̂ + y𝑗 ̂ + 0𝑘 ̂). (0𝑖 ̂ + 1𝑗 ̂ + 0𝑘 ̂) = грех θ 𝑥.0 + y.1 + 0.0 = грех θ у = грех θ Таким образом, 𝑎 ⃗ = x𝑖 ̂ + y𝑗 ̂ 𝒂 ⃗ = соз 𝜃𝒊 ̂ + грех 𝜃 𝒋 ̂ Это значение будет верно во всех квадрантах. Итак, 0 ≤ θ ≤ 2π Следовательно, 𝒂 ⃗ = cos 𝜃𝒊 ̂ + sin𝜃𝒋 ̂; для 0 ≤ θ ≤ 2π

Показать больше

векторов — Векторы — AQA — GCSE Maths Revision — AQA

Вектор описывает движение от одной точки к другой.Векторная величина имеет как направление, так и величину (размер).

Скалярная величина имеет только величину.

Вектор может быть представлен сегментом линии , помеченным стрелкой.

Вектор между двумя точками A и B описывается как \ (\ overrightarrow {AB} \), \ (\ mathbf {a} \) или \ (\ underline {a} \).

Вектор также может быть представлен вектором-столбцом \ (\ begin {pmatrix} 3 \\ 4 \ end {pmatrix} \). Верхнее число говорит вам, на сколько ячеек или единиц нужно переместиться в положительном \ (x \) — направлении, а нижнее число — на сколько ячеек переместиться в положительном \ (y \) — направлении.

Векторы равны, если они имеют одинаковую величину и направление независимо от того, где они находятся.

\ [\ overrightarrow {CD} = \ begin {pmatrix} 1 \\ 4 \ end {pmatrix} \]

\ [\ overrightarrow {EF} = \ begin {pmatrix} 1 \\ 4 \ end {pmatrix} \]

Итак \ (\ overrightarrow {CD} = \ overrightarrow {EF} \)

Отрицательный вектор имеет ту же величину, но противоположное направление.

Вектор \ (\ mathbf {-k} \) — это то же самое, что движение назад вниз по вектору \ (\ mathbf {k} \).

Пример

Запишите в терминах \ (\ mathbf {a} \), \ (\ mathbf {b} \) и \ (\ mathbf {c} \) векторы \ (\ overrightarrow {ZY} \ ), \ (\ overrightarrow {YC} \), \ (\ overrightarrow {ZA} \) и \ (\ overrightarrow {BX} \).

\ [\ overrightarrow {ZY} = \ mathbf {a} \]

\ (\ overrightarrow {ZY} \) и \ (\ overrightarrow {AX} \) — равные векторы, они имеют одинаковую величину и направление.

\ [\ overrightarrow {YC} = \ mathbf {b} \]

\ (\ overrightarrow {YC} \) и \ (\ overrightarrow {XZ} \) — равные векторы, они имеют одинаковую величину и направление.

\ [\ overrightarrow {ZA} = \ mathbf {-c} \]

\ (\ overrightarrow {ZA} \) имеет ту же величину, что и \ (\ overrightarrow {AZ} \), но в противоположном направлении.

\ [\ overrightarrow {BX} = \ mathbf {-a} \]

\ (\ overrightarrow {BX} \) имеет ту же величину, что и \ (\ overrightarrow {AX} \), но в противоположном направлении.

Поддерживаемые операции для векторов и матриц — MATLAB и Simulink

Эта таблица суммирует интерпретацию операций присваивания для вектора и матричные операнды.

Присвойте значения всем элементам матрицы

В диаграммах, которые используют MATLAB в качестве языка действий, вы можете использовать одно действие, чтобы указать все элементов вектора или матрицы. Например, это действие присваивает каждому элемент матрицы 2 на 3 A в другой значение:

В диаграммах, которые используют C в качестве языка действий, вы можете использовать скаляр расширение , чтобы установить для всех элементов вектора или матрицы значение такое же значение.Скалярное расширение преобразует скалярные данные в соответствии с размерами векторные или матричные данные. Например, это действие устанавливает все элементы матрица A к 10 :

Скалярное расширение применяется ко всем графическим функциям, функциям таблицы истинности, MATLAB и Simulink. Предположим, вы определяете формальные аргументы функция f как скаляры. В этой таблице описаны правила скалярное разложение для вызова функции y = f (u) .

Выход y Вход u Результат
Скаляр Скаляр Скалярное расширение не происходит.
Скаляр Вектор или матрица Диаграмма генерирует ошибку несоответствия размера.
Вектор или матрица Скаляр

В диаграмме используется скалярное расширение для назначения скалярное выходное значение f (u) для каждого элемент y :

Вектор или матрица Вектор или матрица

В диаграмме используется скалярное расширение для вычисления выходное значение для каждого элемента u и присвоить его соответствующему элементу y :

Если y и u не имеют одинаковый размер, диаграмма генерирует несоответствие размера ошибка.

Для функций с несколькими выходами применяются те же правила, если только все выходы и входы — это векторы или матрицы. В этом случае диаграмма генерирует ошибку несоответствия размера, и скалярное расширение не происходит.

Диаграммы, которые используют MATLAB в качестве языка действий, не поддерживают скалярное расширение.

7. Векторы в трехмерном пространстве

Ранее мы видели, как представить двумерные векторы на плоскости x y .

Теперь мы расширяем идею представления трехмерных векторов с помощью осей x y z . (См. «Трехмерную систему координат» для справки по этому поводу).

Пример

Вектор OP имеет начальную точку в начале координат O (0, 0, 0) и конечную точку в P (2, 3, 5). Мы можем нарисовать вектор OP следующим образом:

Величина трехмерного вектора

Ранее мы видели, что расстояние между двумя точками в трехмерном пространстве составляет

`» расстояние «\ AB =` sqrt ((x_2-x_1) ^ 2 + (y_2-y_1) ^ 2 + (z_2-z_1) ^ 2) `

Для вектора OP выше величина вектора определяется выражением:

`| OP | = sqrt (2 ^ 2 + 3 ^ 2 + 5 ^ 2) = 6.16 \ «единиц» `

Добавление трехмерных векторов

Ранее мы видели, как складывать двумерные векторы. Теперь мы расширим идею для трехмерных векторов.

Мы просто складываем вместе компоненты i , затем компоненты j и, наконец, компоненты k .

Пример 1

Два якоря удерживают корабль на месте, и их силы, действующие на корабль, представлены векторами A и B следующим образом:

A = 2 i + 5 j — 4 k и B = −2 i — 3 j — 5 k

Если бы мы заменили 2 якоря на 1 якорь, какой вектор представляет этот единственный вектор?

Ответ

Проблема просто требует, чтобы мы сложили векторы, чтобы получить единственный результирующий вектор.

A + B

= (2 + −2) i + (5 3) j + (−4 5) k

= 0 i + 2 j — 9 k

= 2 j — 9 k

Точечное произведение трехмерных векторов

Чтобы найти скалярное произведение (или скалярное произведение) трехмерных векторов, мы просто расширяем идеи скалярного произведения в двух измерениях, с которыми мы встречались ранее.

Пример 2 — Точечное произведение с использованием величины и угла

Найдите скалярное произведение векторов P и Q , учитывая, что угол между двумя векторами составляет 35 ° и

| P | = 25 ед. с и | Q | = 4 шт.

Ответ

Используя нашу формулу для скалярного произведения:

P • Q = | P | | Q | cos θ

имеем:

P • Q

= | P | | Q | cos θ

= 25 × 4 × cos 35 °

= 81.92

Пример 3 — Точечное произведение, если векторы являются кратными единичным векторам

Найдите скалярное произведение векторов A и B (они взяты из нашего примера привязки выше):

A = 2 i + 5 j — 4 k и B = −2 i — 3 j — 5 k

Ответ

A • B

= (2 i + 5 j — 4 k ) (−2 i — 3 j — 5 k )

= (2 × −2) + (5 × −3) + (−4 × −5)

= −4 + ​​−15 + 20

= 1

Направляющие косинусы

Предположим, у нас есть вектор OA с начальной точкой в ​​начале координат и конечной точкой в ​​A.

Предположим также, что у нас есть единичный вектор в том же направлении, что и OA . (См. Напоминание об единичных векторах).

Пусть наш единичный вектор будет:

u = u 1 i + u 2 j + u 3 k

На графике u — это единичный вектор (черный), указывающий в том же направлении, что и вектор OA , и i , j и k (единичные векторы в x-, y- и z- соответственно) отмечены зеленым.

Теперь мы увеличиваем вектор и и немного меняем ориентацию, как показано ниже:

Теперь, если на диаграмме выше,

α — угол между u и осью x (темно-красным),
β — угол между u и осью y (зеленый) и
γ — угол между . u и z — ось (розовая),

, то мы можем использовать скалярное произведение и написать:

u 1

= и и

= 1 × 1 × cos α

= cos α

u 2

= u j

= 1 × 1 × cos β

= cos β

u 3

= u k

= 1 × 1 × cos γ

= cos γ

Итак, мы можем записать единичный вектор и как:

u = cos α i + cos β j + cos γ k

Эти 3 косинуса называются направляющими косинусами .

Угол между трехмерными векторами

Ранее мы видели, как найти угол между двумерными векторами. Мы используем ту же формулу для трехмерных векторов:

`theta = arccos ((P * Q) / (| P || Q |))`

Пример 4

Найдите угол между векторами P = 4 i + 0 j + 7 k и Q = -2 i + j + 3 k .

Ответ

Векторы P и Q следующие.Вектор P находится на плоскости x z (обратите внимание, что значение y для вектора P равно «0»), а Q «позади» y z Самолет .

По формуле

`theta = arccos ((P * Q) / (| P || Q |))`

имеем:

P • Q

= (4 i + 0 j + 7 j ) (−2 i + j + 3 k)

= (4 × −2) + (0 × 1) + (7 × 3)

= 13

А теперь знаменатель:

`| P || Q | = sqrt (4 ^ 2 + (0) ^ 2 + 7 ^ 2)` `xxsqrt ((- 2) ^ 2 + 1 ^ 2 + 3 ^ 2)`

`= sqrt (65) sqrt (14)`

`= 30.166 \ «единиц» `

Так

θ = arccos (13 ÷ 30,166)

Следовательно, угол между векторами P и Q равен

θ = 64,47 °

Упражнение

Найдите угол между векторами P = 3 i + 4 j -7 k и Q = -2 i + j + 3 k .

Ответ

По формуле

`theta = arccos ((P * Q) / (| P || Q |))`

сначала находим скалярное произведение:

P • Q

= (3 i + 4 j — 7 j ) (−2 i + j + 3 k)

= (3 × −2) + (4 × 1) + (−7 × 3)

= −23

А теперь знаменатель:

| P | | Q |

= √ (3 2 + 4 2 + (−7) 2 ) × √ ((- 2) 2 + 1 2 + 3 2 )

= 32.187

Так

θ = arccos (−23 ÷ 32,187)

Следовательно, угол между векторами P и Q равен

θ = 135,6 °

Приложение

У нас есть куб ABCO PQRS, у которого есть нить по диагонали куба от B до S, а другая по другой диагонали от C до P

Какой угол между двумя струнами?

Ответ

Для удобства предположим, что у нас есть единиц куба (каждая сторона имеет длину 1 единицу), и мы разместим его так, чтобы один угол куба находился в начале координат.

Единичные векторы i , j и k действуют в направлениях x -, y — и z — соответственно. Итак, на нашей диаграмме, поскольку у нас есть единичный куб,

OA = i
OC = j
OS = k

Из диаграммы мы видим, что для перехода от B к S нам нужно пройти −1 единицу в направлении x , −1 единицу в направлении y и вверх на 1 единицу в направлении z . .Поскольку у нас есть единичный куб, мы можем написать:

БС = −i — j + k

и аналогично:

CP = i — j + k

Скалярное произведение векторов BS и CP :

BS • CP = | BS | | CP | cos θ

, где θ — угол между BS и CP .

Итак, угол θ равен

.

θ = arccos [( BS • CP ) ÷ ( | BS | | CP | )]

Сейчас,

BS • CP

= ( −i — j + k ) ( i — j + k )

= 1 + 1 + 1

= 1

и

| BS | | CP |

`= sqrt ((- 1) ^ 2 + (-1) ^ 2 + 1 ^ 2)` `× sqrt (1 ^ 2 + (-1) ^ 2 + 1 ^ 2)`

`= (sqrt3) (sqrt3)`

= 3

Так

`θ = arccos (1/3)`

θ = 70.5 °

Итак, угол между струнами равен «70,5 °». (В этой ситуации мы предполагаем, что «угол» относится к острому углу между струнами.)

Нужна помощь в решении другой задачи построения графиков? Попробуйте решить проблемы.

Заявление об ограничении ответственности: IntMath.com не гарантирует точность результатов. Решение проблем, предоставленное Mathway.

Закажите одного из наших репетиторов Лиги плюща, который поможет вам овладеть математикой и улучшить свои оценки.


Образование: Компьютерные науки и математика, Стэнфордский университет

Предметы: Алгебра, геометрия, триггер, исчисление, Adv.Исчисление, подготовка к SAT / ACT

Биография: Привет! Я Лигия, мне очень нравится наставлять других, и я работала репетитором математики в Стэнфорде. Я также интересуюсь физическими науками, и я занимаюсь исследованием биологических проблем с использованием машинного обучения. Я люблю теннис, бразильскую музыку и все виды рукоделия.

Скорость: 100 $ / час

Объедините два вектора в C ++ — Techie Delight

В этом посте будет обсуждаться, как соединить или объединить два вектора в C ++.Результирующий вектор будет содержать все элементы первого вектора, за которыми следуют все элементы второго вектора в том же порядке.

Например, рассмотрим следующие векторы x и y, объединение которых приводит к вектору v .


Ввод:
x = {1, 2, 3};
y = {4, 5};

Выход:

v = {1, 2, 3, 4, 5};

1. Использование

vector :: insert function

Самое простое решение — использовать конструктор копирования для инициализации целевого вектора копией всех первых элементов вектора.Затем вызовите функцию vector :: insert , чтобы скопировать все элементы второго вектора. Мы также можем использовать только vector :: insert для копирования элементов обоих векторов в вектор назначения.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

#include

#include

#include

void print (auto const & vector)

{

for (auto i: vector) {

std :: cout << i << '';

}

std :: cout << std :: endl;

}

int main ()

{

std :: vector x = {1, 2, 3};

std :: vector y = {4, 5};

// 1.Конструктор копирования + vector :: insert

std :: vector v (x);

v.insert (v.end (), y.begin (), y.end ());

print (v);

v.clear (); // очищаем вектор

// 2. only vector :: insert

v.insert (v.begin (), x.begin (), x.end ());

v.insert (v.end (), y.begin (), y.end ());

print (v);

возврат 0;

}

Загрузить код запуска

2.Использование функции

std :: copy

Существует много способов использования алгоритма std :: copy для объединения векторов, как показано ниже. Обратите внимание, что std :: back_inserter используется для выделения места для нового элемента в новом векторе. В качестве альтернативы мы можем выделить пространство заранее и использовать обычные итераторы ввода.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

#include

#include

#include

#include

void print (auto const & vector)

{

for (auto i: vector) ) {

std :: cout << i << '';

}

std :: cout << std :: endl;

}

int main ()

{

std :: vector x = {1, 2, 3};

std :: vector y = {4, 5};

// 1.Конструктор копирования + std :: copy + std :: back_inserter

std :: vector v (x);

std :: copy (y.begin (), y.end (), std :: back_inserter (v));

print (v);

v.clear (); // очищаем вектор

// 2. std :: copy + std :: back_inserter

std :: copy (x.begin (), x.end (), std :: back_inserter (v) );

std :: copy (y.begin (), y.end (), std :: back_inserter (v));

print (v);

в.Чисто(); // очищаем вектор

// 3. только std :: copy

v.resize (x.size () + y.size ());

std :: copy (x.begin (), x.end (), v.begin ());

std :: copy (y.begin (), y.end (), v.begin () + x.size ());

print (v);

возврат 0;

}

Загрузить код запуска

3. Использование функции

std :: move

Другое эффективное решение — использовать std :: move , который фактически перемещает объекты, в отличие от std :: copy , который их копирует.Мы можем использовать его так же, как std :: copy . Обратите внимание, что исходные элементы контейнера остаются в неопределенном, но допустимом состоянии после вызова std :: move .

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

#include

#include

#include

#include

void print (auto const & vector)

{

for (auto i: vector) ) {

std :: cout << i << '';

}

std :: cout << std :: endl;

}

int main ()

{

std :: vector x = {1, 2, 3};

std :: vector y = {4, 5};

// 1.Конструктор копирования + std :: move + std :: back_inserter

std :: vector v (x);

std :: move (y.begin (), y.end (), std :: back_inserter (v));

print (v);

v.clear (); // очищаем вектор

// 2. std :: move + std :: back_inserter

std :: move (x.begin (), x.end (), std :: back_inserter (v) );

std :: move (y.begin (), y.end (), std :: back_inserter (v));

print (v);

в.Чисто(); // очищаем вектор

// 3. только std :: move

v.resize (x.size () + y.size ());

std :: move (x.begin (), x.end (), v.begin ());

std :: move (y.begin (), y.end (), v.begin () + x.size ());

печать (в);

возврат 0;

}

Загрузить код запуска

4. Использование функции

std :: set_union

Другой подход может заключаться в использовании std :: union , который объединяет два отсортированных диапазона.Обратите внимание, что это может не сохранить исходный порядок элементов в обоих векторах.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

#include

#include

#include

#include

void print (auto const & vector)

{

for (auto i: vector) ) {

std :: cout << i << '';

}

std :: cout << std :: endl;

}

int main ()

{

std :: vector x = {1, 2, 3};

std :: vector y = {4, 5};

// 1.std :: set_union + std :: back_inserter

std :: vector v;

std :: set_union (x.begin (), x.end (), y.begin (), y.end (),

std :: back_inserter (v));

print (v);

v.clear ();

// 2. std :: set_union

v.resize (x.size () + y.size ());

std :: set_union (x.begin (), x.end (), y.begin (), y.end (), v.begin ());

print (v);

возврат 0;

}

Загрузить код запуска

Это все о конкатенации двух векторов в C ++.


Спасибо за прочтение.

Используйте наш онлайн-компилятор для публикации кода в комментариях с использованием C, C ++, Java, Python, JavaScript, C #, PHP и многих других популярных языков программирования.

Нам нравится? Направляйте нас к своим друзьям и помогайте нам расти. Счастливое кодирование 🙂


Вектор (биология)


2

Спарившиеся самки комаров более подвержены переносчикам малярийных паразитов

Ноябрь7, 2019 — Согласно новому …


Гены устойчивости к инсектицидам влияют на способность переносчиков вируса Западного Нила

31 января 2019 г. — В контексте чрезмерного использования инсектицидов, которое приводит к отбору устойчивых комаров, уже известно, что эта устойчивость к инсектицидам влияет на взаимодействие между комарами и …


Опасные клещевые бактерии чрезвычайно редки в Нью-Джерси

25 июня 2020 г. — В Нью-Джерси есть хорошие новости о потенциально смертельной клещевой бактерии.Исследователи изучили более 3000 клещей в штате Гарден и обнаружили только одного переносчика риккетсий …


Эффективное вмешательство может предотвратить передачу заболеваний в условиях изменения климата

18 марта 2021 г. — Aedes aegypti являются основным переносчиком болезней, передаваемых комарами, таких как лихорадка денге. Однако влияние погодных аномалий, связанных с изменением климата, на популяции комаров до конца не изучено. …


Новый подход к генной терапии устраняет как минимум 90% скрытого вируса простого герпеса 1

Авг.18, 2020 — Исследователи инфекционных заболеваний использовали подход редактирования генов для удаления латентного вируса простого герпеса 1 или HSV-1, также известного как оральный герпес. В моделях на животных результаты показывают не менее 90 …


Готовый инструмент для создания моделей мышей COVID-19

17 июня 2020 г. — Исследователи создали вектор для генной терапии, который, по сути, представляет собой готовый инструмент, который позволяет лабораториям создавать собственные модели мышей COVID-19 в течение нескольких дней.Этот простой инструмент может помочь …


Исследования денге на Филиппинах, эволюция во времени

25 апреля 2019 г. — Инфекционные болезни, включая лихорадку денге, по-прежнему являются основными причинами заболеваемости и смертности на Филиппинах. Теперь исследователи проанализировали 60-летнюю литературу по лихорадке денге в …


Азиатский тигровый комар представляет низкий риск вспышек вируса Зика

31 декабря 2020 г.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *