M_R_W08_M1 Wektor w układzie współrzędnych
2. Działania na wektorach
Wiesz już, czym jest wektor oraz potrafisz rozpoznać wektory równe i przeciwne. Okazuje się, że w zbiorze wszystkich wektorów na płaszczyźnie można wykonywać pewne działania - pod pewnymi względami podobne do tych wykonywanych w zbiorach liczbowych.
Wyznaczysz sumę dwóch wektorów przy pomocy reguły trójkąta i reguły równoległoboku.
Wyznaczysz sumę dowolnej liczby wektorów przy pomocy reguły łańcucha.
Rozłożysz wektor na składowe.
Wyznaczysz różnicę wektorów.
Wyznaczysz wektor będący iloczynem wektora przez liczbę.
Suma wektorów
Wektor wypadkowyWektor wypadkowy. Wyobraźmy sobie uproszczoną mapę z zaznaczonymi miejscowościami , , , i . Z miejscowości do miejscowości można dostać się bezpośrednio poruszając się wzdłuż wektora , ale można też zrobić to inaczej. Można najpierw przemieścić się z miejscowości do miejscowości , a dopiero później do . Ale można też zrobić po drodze dwa przystanki: w pierwszym etapie przemieszczamy się z miejscowości do miejscowości , w drugim – z miejscowości do miejscowości , zaś w trzecim – z miejscowości do miejscowości . Sytuację ilustruje poniższy rysunek. W takim przypadku powiemy, że wektor jest wektorem wypadkowym dla wektorów i oraz wektor jest wektorem wypadkowym dla wektorów , i . Zwróćmy jeszcze uwagę, w jaki sposób powstają łańcuchy wektorów, których wektorem wypadkowym jest . Każdy z tych łańcuchów spełnia trzy warunki:
początek pierwszego wektora pokrywa się z początkiem wektora wypadkowego,
koniec jednego wektora pokrywa się z początkiem następnego,
koniec ostatniego wektora łańcucha pokrywa się z końcem wektora wypadkowego.

Reguła równoległoboku, reguła trójkąta
Sumę wektorów i wyznaczamy następująco: dowolny punkt płaszczyzny obieramy jako początek wektora , a koniec wektora obieramy za początek wektora .
Wektor, którego początek znajduje się w punkcie , a końcem jest koniec wektora nazywamy sumą wektorów i i oznaczamy .

Wektory, których sumę chcemy wyznaczyć nazywamy wektorami składowymi.
Opisana powyżej procedura otrzymywania wektora będącego sumą dwóch wektorów o różnych kierunkach nosi nazwę reguły trójkąta. Jak widać na powyższej ilustracji, gdy wektory mają różne kierunki, początki i końce rozważanych wektorów tworzą wierzchołki trójkąta. Zauważmy jeszcze, że chcąc zastosować opisany algorytm do wektorów, które mają ten sam kierunek, wszystkie początki i końce rozważanych wektorów będą leżeć na jednej prostej, zatem nie utworzą trójkąta. Gdy wektory mające ten sam kierunek, mają ten sam zwrot, wówczas ich suma ma ten sam zwrot, który mają składniki.

Gdy wektory mające ten sam kierunek, mają przeciwne zwroty, wówczas ich suma ma zwrot taki jak składnik o większej długości.

Na powyższych ilustracjach niebieski wektor jest sumą wektorów czerwonego i czarnego.
Aby wyznaczyć sumę dwóch wektorów o różnych kierunkach, możemy też zastosować tzw. regułę równoległoboku, która orzeka, że wektor reprezentujący sumę wektorów , można uzyskać jako przekątną równoległoboku skonstruowanego z użyciem wektorów , .
Opiszemy teraz jak wykorzystać w praktyce regułę równoległoboku dla dwóch wektorów o różnych kierunkach.

Wektory ustawiamy tak, aby miały wspólny początek.

Przez końce każdego z wektorów prowadzimy proste równoległe do drugiego z nich. Początek obu wektorów, ich końce i punkt przecięcia prostych równoległych do wektorów są wierzchołkami równoległoboku.

Przekątna równoległoboku zawiera wektor będący sumą rozważanych wektorów: jego początek jest wspólnym początkiem obu wektorów składowych, zaś koniec jest punktem przecięcia poprowadzonych prostych.

Reguła łańcucha
Jeśli chcemy dodać więcej niż dwa wektory korzystamy z tzw. reguły łańcucha, która polega na utworzeniu łańcucha wektorów w taki sposób, że koniec jednego z nich staje się początkiem następnego. Sumą wektorów użytych do utworzenia łańcucha nazywamy wektor o początku w początku pierwszego wektora i końcu w końcu ostatniego wektora. Poniżej przedstawiono zastosowanie reguły łańcucha dla otrzymania sumy trzech wektorów: , , .

Regułę łańcucha można stosować dla dowolnie wielu wektorów.
Dla dowolnych wektorów , , zachodzą następujące równości:
(przemienność)
(łączność)
(wektor zerowy jest elementem neutralnym dodawania wektorów)
Ad. 1) Aby udowodnić, że dodawanie wektorów jest przemienne można posłużyć się równoległobokiem. Rozważmy równoległobok i przyjmijmy, że i . Z własności równoległoboku wynika, że i . Z definicji sumy wektorów otrzymujemy równości:
,
stąd
Ad. 2) Aby wykazać, że dodawanie wektorów jest łączne, wybierzmy dowolne cztery punkty płaszczyzny i oznaczmy , , .
Wówczas na podstawie definicji sumy wektorów otrzymujemy:
Stąd
Ad. 3) Dla dowodu równości trzeciej wystarczy zauważyć, że początek i koniec wektora zerowego znajdują się w tym samym punkcie, zatem po zastosowaniu reguły łańcucha można zauważyć, że koniec drugiego wektora (zerowego) pokrywa się z końcem pierwszego wektora , zatem suma wektorówsuma wektorów i jest równa wektorowi .
Ad. 4) Przypomnijmy, że wektor przeciwny do danego wektora ma ten sam kierunek i długość, co wektor . Wektor i wektor do niego przeciwny różnią się jedynie zwrotem, zatem jeśli , to . Po przyłożeniu początku wektora do końca wektora , koniec wektora znajduje się w punkcie , czyli w punkcie przyłożenia wektora . Zatem suma wektorów i jest wektorem zerowym.
Obejrzyj poniższą animację. Na jej podstawie rozwiąż polecenie .
Zapoznaj się z opisem poniższej animacji. Na jej podstawie rozwiąż polecenie .

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1ThvPBJN4fcI
Film nawiązujący do treści materiału dotyczącego sumy wektorów.

Różnica wektorów
Przypomnijmy, że aby od liczby odjąć liczbę (czyli wykonać działanie ), wystarczy do dodać liczbę przeciwną do liczby (czyli wykonać działanie ). Analogicznie definiujemy odejmowanie w zbiorze wektorów.
Aby od wektora odjąć wektor (czyli wykonać działanie ), wystarczy do wektora dodać wektor przeciwny do wektora (czyli wykonać działanie ). Dla porządku przypomnijmy tutaj, że wektor przeciwny do wektora ma ten sam kierunek i długość, co wektor , ale przeciwny zwrot.
Różnica dwóch wektorów – reguła równoległoboku, reguła trójkąta. Skoro różnicę wektorów definiujemy poprzez sumę, to oczywistym wydaje się fakt, że do odejmowania wektorów można zastosować regułę równoległoboku i regułę trójkąta.
Aby wyznaczyć różnicę wektorówróżnicę wektorów i działamy następująco: obieramy dowolny punkt , który będzie stanowił początek wektora . Na jego końcu zaczepiamy (umieszczamy) wektor (przeciwny do ). Teraz, rysując odcinek od punktu do końca wektora , otrzymamy wektor , który nazywamy różnicą wektorów i . Zauważmy, że po wyznaczeniu określonego uprzednio odcinka, otrzymujemy trójkąt.

Do wyznaczenia powyższej różnicy zastosowaliśmy regułę trójkąta, którą omówiliśmy szczegółowo w rozdziale dotyczącym dodawania wektorów.
Aby wyznaczyć różnicę dwóch wektorów o różnych kierunkach, możemy też zastosować regułę równoległoboku, która orzeka, że wektor reprezentujący różnicę wektorów i można uzyskać jako przekątną równoległoboku rozpiętego przez i , czyli takiego, którego odpowiednie (widoczne na rysunku poniżej) boki możemy utożsamić z wektorami i . Regułę równoległoboku również omówiliśmy szczegółowo w rozdziale dotyczącym dodawania wektorów, tutaj spójrzmy tylko na ilustrację poniżej:

Wyznaczymy graficznie wektor . Aby wykonać zadanie będą nam potrzebne wektory przeciwne do wektorów i . Po ich wyznaczeniu wystarczy zastosować regułę łańcucha i wykonać dodawanie .

Zwróćmy jeszcze uwagę, że na wektorach możemy wykonywać operacje dodawania i odejmowania podobnie jak na liczbach czy wyrażeniach algebraicznych. Właśności tych działań przenoszą się na wektory.
Dla przykładu rozważmy:
do obu stron równania dodajemy wektor przeciwny do wektora
korzystamy z łączności dodawania wektorów
korzystamy z faktu, że suma wektora i wektora do niego przeciwnego jest wektorem zerowym
korzystamy z faktu, że wektor zerowy jest elementem neutralnym dodawaniaelementem neutralnym dodawania wektorów
korzystamy z definicji odejmowania wektorów
Obrazowo możemy powiedzieć (podobnie jak w równościach zawierających wyrażenia algebraiczne), że przenieśliśmy wektor na drugą stronę znaku równości ze zmienionym znakiem.
Zapozna się z filmem samouczkiem. Na jego podstawie rozwiąż poniższe zadanie.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RMMvU8ioxo3lA
Film nawiązujący do treści lekcji dotyczącej różnicy wektorów.
Na siatce zaznaczono kilkanaście punktów, które są początkami i końcami pewnych wektorów. Połącz w pary wektory równe.

Iloczyn wektora przez liczbę
Mając dany wektor , możemy narysować wektory:

Możemy zauważyć, że każdy z wykreślonych wektorów jest równoległy do i ma zwrot z nim zgodny, a długości tych wektorów są równe odpowiednio: .
Narysujmy teraz wektory:

Zauważmy, że każdy z nich jest równoległy do , ale ma do niego przeciwny zwrot. Długości tych wektorów są równe odpowiednio: .
Przede wszystkim zauważmy, że po pomnożeniu niezerowego wektora przez niezerową liczbę rzeczywistą otrzymujemy wektor. Będziemy ten iloczyn zapisywać jako lub po prostu .
Aby szczegółowo omówić zagadnienie mnożenia wektora przez liczbę rozważymy kilka przykładów. Zanim to jednak zrobimy, zwróćmy uwagę, że kierunek danego wektora i wektora otrzymanego przez pomnożenie go przez różną od zera liczbę jest taki sam. Zatem możemy zapisać, że , dla dowolnej niezerowej liczby rzeczywistej i niezerowego wektora .
Jeśli pomnożymy wektor przez , otrzymamy ten sam wektor .

Jeśli pomnożymy wektor przez , otrzymamy wektor przeciwny do danego. Możemy zauważyć, że .

Jeśli pomnożymy wektor przez , otrzymamy wektor dwa razy dłuższy o tym samym kierunku i zwrocie. Możemy zauważyć, że .

Jeśli pomnożymy wektor przez , otrzymamy wektor dwa razy dłuższy o tym samym kierunku i przeciwnym zwrocie. Możemy zauważyć, że .

Jeśli pomnożymy wektor przez , otrzymamy wektor dwa razy krótszy o tym samym kierunku i zwrocie.

Jeśli pomnożymy wektor przez , otrzymamy wektor dwa razy krótszy o tym samym kierunku i przeciwnym zwrocie.

Podsumujmy powyższe rozważania.
Iloczynem wektora niezerowego i liczby rzeczywistej nazywamy wektor, który:
jest równoległyrównoległy do wektora (ma kierunek wektorakierunek wektora );
ma długość równą ;
ma zwrot zgodny ze zwrotem wektora , gdy , zaś przeciwny, gdy .
Jeśli jest wektorem zerowym lub , to przyjmujemy, że iloczyn wektorailoczyn wektora i liczby jest wektorem zerowym.
Zapoznaj się z apletem. Porównaj swoje obserwacje z definicją:
Zapoznaj się z definicją iloczynu wektora niezerowego, a następnie z opisem apletu.
Iloczynem wektora niezerowego i liczby rzeczywistej nazywamy wektor, który:
jest równoległy do wektora (ma kierunek wektora );
ma długość równą ;
ma zwrot zgodny ze zwrotem wektora , gdy , zaś przeciwny, gdy .
Jeśli u jest wektorem zerowym lub , to przyjmujemy, że iloczyn wektora i liczby jest wektorem zerowym.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D8RCZ81F6
Dla podanej pary wektorów i wyznacz liczbę rzeczywistą , aby wektor był iloczynem wektora i liczby .

Dany jest wektor

mogą być równe zawsze są różne mogą być różne
Wektory wektor u i wektor dwa u:
mogą nie być równoległe zawsze są równoległe mogą być równoległe
text=Długość wektora wektor u, plus, wektor v:
może być mniejsza od sumy długości wektorów wektor u i wektor v może być równa sumie długości wektorów wektor u i wektor v zawsze jest równa sumie długości wektorów wektor u i wektor v
Słownik
wektor, który powstaje po ułożeniu wektorów składowych w łańcuch w taki sposób, że koniec jednego wektora jest początkiem następnego - sumą wektorów składowych jest wektor o początku w początku pierwszego wektora łańcucha i końcu w końcu ostatniego wektora łańcucha
suma wektorów; w pewnych szczególnych przypadkach (np. składanie sił lub przemieszczeń) wektor wypadkowy zastępuje działanie kilku innych wektorów
jeśli określimy wektory jako uporządkowane pary punktów w przestrzeni dwuwymiarowej, to różnicę wektorów i określamy jako: , co możemy też przedstawić za pomocą sumy wektora i wektora przeciwnego do , co zapisujemy:
elementem neutralnym dowolnego zbioru jest takie , że dla dowolnego elementu ze zbioru zachodzi: oraz , np.: w zbiorze liczb całkowitych jest to zero, a w zbiorze wektorów to wektor zerowy
dla niezerowego wektora i liczby wektor jest wektorem równoległym do o długości równej oraz zwrocie zgodnym ze zwrotem , gdy , przeciwnym do zwrotu , gdy ; jeśli jest wektorem zerowym lub , to iloczyn przez jest wektorem zerowym
prosta, na której leży wektor
wektory, które zawarte są w prostych równoległych; nie definiujemy równoległości do wektora zerowego