Grįžti į temą

Skaliarinė sandauga ir kampas

Orientacinė trukmė: ~20 min

Skaliarinė sandauga ir kampas

Skaliarinės sandaugos apibrėžimas

Skaliarinė (vidinė) sandauga – tai operacija, kuri dviem vektoriams priskiria skaičių (ne vektorių).

Geometrinis apibrėžimas

Jei φ\varphi – kampas tarp vektorių a⃗\vec{a} ir b⃗\vec{b}, tai:

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

Kampas φ\varphi matuojamas tarp vektorių, kai jie nubrėžti iš to paties taško (0°≤φ≤180°0° \leq \varphi \leq 180°).

Koordinatinis apibrėžimas

Jei a⃗=(x1;  y1)\vec{a} = (x_1;\; y_1) ir b⃗=(x2;  y2)\vec{b} = (x_2;\; y_2), tai:

a⃗⋅b⃗=x1x2+y1y2\vec{a} \cdot \vec{b} = x_1 x_2 + y_1 y_2

Pavyzdys 1: Raskite skaliarinę sandaugą a⃗⋅b⃗\vec{a} \cdot \vec{b}, kai a⃗=(3;  4)\vec{a} = (3;\; 4) ir b⃗=(2;  −5)\vec{b} = (2;\; -5).

a⃗⋅b⃗=3⋅2+4⋅(−5)=6−20=−14\vec{a} \cdot \vec{b} = 3 \cdot 2 + 4 \cdot (-5) = 6 - 20 = -14

Pavyzdys 2: a⃗=(1;  7)\vec{a} = (1;\; 7), b⃗=(4;  2)\vec{b} = (4;\; 2).

a⃗⋅b⃗=1⋅4+7⋅2=4+14=18\vec{a} \cdot \vec{b} = 1 \cdot 4 + 7 \cdot 2 = 4 + 14 = 18


Skaliarinės sandaugos savybės

SavybėFormulė
Komutatyvumasa⃗⋅b⃗=b⃗⋅a⃗\vec{a} \cdot \vec{b} = \vec{b} \cdot \vec{a}
Distributyvumasa⃗⋅(b⃗+c⃗)=a⃗⋅b⃗+a⃗⋅c⃗\vec{a} \cdot (\vec{b} + \vec{c}) = \vec{a} \cdot \vec{b} + \vec{a} \cdot \vec{c}
Daugyba iš skaičiaus(ka⃗)⋅b⃗=k(a⃗⋅b⃗)(k\vec{a}) \cdot \vec{b} = k(\vec{a} \cdot \vec{b})
Sandauga su savimi$\vec \cdot \vec =
Sandauga su nuliniua⃗⋅0⃗=0\vec{a} \cdot \vec{0} = 0

Iš paskutinės savybės gauname patogią formulę vektoriaus ilgiui rasti:

∣a⃗∣=a⃗⋅a⃗=x2+y2|\vec{a}| = \sqrt{\vec{a} \cdot \vec{a}} = \sqrt{x^2 + y^2}

Pavyzdys 3: Raskite ∣a⃗∣|\vec{a}|, kai a⃗=(5;  12)\vec{a} = (5;\; 12).

a⃗⋅a⃗=52+122=25+144=169\vec{a} \cdot \vec{a} = 5^2 + 12^2 = 25 + 144 = 169

∣a⃗∣=169=13|\vec{a}| = \sqrt{169} = 13


Statmenumas

Du vektoriai a⃗\vec{a} ir b⃗\vec{b} yra statmeni (žymima a⃗⊥b⃗\vec{a} \perp \vec{b}), jei kampas tarp jų lygus 90°90°.

Kadangi cos⁡90°=0\cos 90° = 0, tai:

a⃗⊥b⃗  ⟺  a⃗⋅b⃗=0  ⟺  x1x2+y1y2=0\vec{a} \perp \vec{b} \iff \vec{a} \cdot \vec{b} = 0 \iff x_1 x_2 + y_1 y_2 = 0

Pavyzdys 4: Ar vektoriai a⃗=(3;  4)\vec{a} = (3;\; 4) ir b⃗=(8;  −6)\vec{b} = (8;\; -6) statmeni?

a⃗⋅b⃗=3⋅8+4⋅(−6)=24−24=0\vec{a} \cdot \vec{b} = 3 \cdot 8 + 4 \cdot (-6) = 24 - 24 = 0

Taip, a⃗⊥b⃗\vec{a} \perp \vec{b}.

Pavyzdys 5: Raskite yy, jei vektoriai a⃗=(2;  y)\vec{a} = (2;\; y) ir b⃗=(6;  −4)\vec{b} = (6;\; -4) statmeni.

a⃗⋅b⃗=0  ⟹  2⋅6+y⋅(−4)=0  ⟹  12−4y=0  ⟹  y=3\vec{a} \cdot \vec{b} = 0 \implies 2 \cdot 6 + y \cdot (-4) = 0 \implies 12 - 4y = 0 \implies y = 3


Kampas tarp vektorių

Iš abiejų apibrėžimų gauname formulę kampui tarp vektorių rasti:

cos⁡φ=a⃗⋅b⃗∣a⃗∣⋅∣b⃗∣=x1x2+y1y2x12+y12⋅x22+y22\cos \varphi = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|} = \frac{x_1 x_2 + y_1 y_2}{\sqrt{x_1^2 + y_1^2} \cdot \sqrt{x_2^2 + y_2^2}}

Kampas randamas: φ=arccos⁡(a⃗⋅b⃗∣a⃗∣⋅∣b⃗∣)\varphi = \arccos\left(\frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}\right)

Pavyzdys 6: Raskite kampą tarp vektorių a⃗=(1;  0)\vec{a} = (1;\; 0) ir b⃗=(1;  1)\vec{b} = (1;\; 1).

a⃗⋅b⃗=1⋅1+0⋅1=1\vec{a} \cdot \vec{b} = 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 = 1

∣a⃗∣=1,∣b⃗∣=12+12=2|\vec{a}| = 1, \quad |\vec{b}| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}

cos⁡φ=11⋅2=22\cos \varphi = \frac{1}{1 \cdot \sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}

φ=45°\varphi = 45°

Pavyzdys 7: Raskite kampą tarp vektorių a⃗=(3;  4)\vec{a} = (3;\; 4) ir b⃗=(−4;  3)\vec{b} = (-4;\; 3).

a⃗⋅b⃗=3⋅(−4)+4⋅3=−12+12=0\vec{a} \cdot \vec{b} = 3 \cdot (-4) + 4 \cdot 3 = -12 + 12 = 0

cos⁡φ=0  ⟹  φ=90°\cos \varphi = 0 \implies \varphi = 90°

Vektoriai statmeni!


Vektoriaus projekcija

Vektoriaus a⃗\vec{a} projekcija ant vektoriaus b⃗\vec{b} – tai skaičius:

prb⃗ a⃗=a⃗⋅b⃗∣b⃗∣\text{pr}_{\vec{b}}\, \vec{a} = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{b}|}

Jei projekcija teigiama – vektoriai sudaro smailų kampą, jei neigiama – bukąjį.

Pavyzdys 8: Raskite vektoriaus a⃗=(5;  1)\vec{a} = (5;\; 1) projekciją ant b⃗=(3;  4)\vec{b} = (3;\; 4).

a⃗⋅b⃗=5⋅3+1⋅4=19\vec{a} \cdot \vec{b} = 5 \cdot 3 + 1 \cdot 4 = 19

∣b⃗∣=9+16=5|\vec{b}| = \sqrt{9 + 16} = 5

prb⃗ a⃗=195=3,8\text{pr}_{\vec{b}}\, \vec{a} = \frac{19}{5} = 3{,}8


Kampo trikampyje radimas

Turint trikampio viršūnes, galima rasti bet kurį jo kampą.

Pavyzdys 9: Trikampio viršūnės A(1;  1)A(1;\; 1), B(4;  5)B(4;\; 5), C(7;  2)C(7;\; 2). Raskite kampą AA.

Sudarome vektorius iš viršūnės AA:

AB→=(4−1;  5−1)=(3;  4)\overrightarrow{AB} = (4-1;\; 5-1) = (3;\; 4)

AC→=(7−1;  2−1)=(6;  1)\overrightarrow{AC} = (7-1;\; 2-1) = (6;\; 1)

Skaliarinė sandauga:

AB→⋅AC→=3⋅6+4⋅1=18+4=22\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 3 \cdot 6 + 4 \cdot 1 = 18 + 4 = 22

Ilgiai:

∣AB→∣=9+16=5,∣AC→∣=36+1=37|\overrightarrow{AB}| = \sqrt{9 + 16} = 5, \quad |\overrightarrow{AC}| = \sqrt{36 + 1} = \sqrt{37}

Kampas:

cos⁡A=22537=225⋅6,083≈2230,41≈0,723\cos A = \frac{22}{5\sqrt{37}} = \frac{22}{5 \cdot 6{,}083} \approx \frac{22}{30{,}41} \approx 0{,}723

A=arccos⁡(0,723)≈43,7°A = \arccos(0{,}723) \approx 43{,}7°

Pavyzdys 10: Trikampio viršūnės A(0;  0)A(0;\; 0), B(6;  0)B(6;\; 0), C(3;  3)C(3;\; 3). Patikrinkite, ar trikampis stačiasis.

BA→=(−6;  0),BC→=(−3;  3)\overrightarrow{BA} = (-6;\; 0), \quad \overrightarrow{BC} = (-3;\; 3)

BA→⋅BC→=(−6)(−3)+0⋅3=18≠0\overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{BC} = (-6)(-3) + 0 \cdot 3 = 18 \neq 0

Kampas prie BB nėra 90°90°. Tikrinkime kampą prie CC:

CA→=(−3;  −3),CB→=(3;  −3)\overrightarrow{CA} = (-3;\; -3), \quad \overrightarrow{CB} = (3;\; -3)

CA→⋅CB→=(−3)(3)+(−3)(−3)=−9+9=0\overrightarrow{CA} \cdot \overrightarrow{CB} = (-3)(3) + (-3)(-3) = -9 + 9 = 0

Kampas prie CC lygus 90°90° – tai stačiasis trikampis.

Savarankiško darbo užduotys

  1. Apskaičiuokite skaliarinę sandaugą a⃗⋅b⃗\vec{a} \cdot \vec{b}, kai a⃗=(7;  −2)\vec{a} = (7;\; -2) ir b⃗=(3;  5)\vec{b} = (3;\; 5).

  2. Patikrinkite, ar vektoriai a⃗=(5;  −3)\vec{a} = (5;\; -3) ir b⃗=(6;  10)\vec{b} = (6;\; 10) yra statmeni.

  3. Raskite kampą tarp vektorių a⃗=(1;  3)\vec{a} = (1;\; \sqrt{3}) ir b⃗=(3;  1)\vec{b} = (\sqrt{3};\; 1).

  4. Raskite xx reikšmę, jei a⃗=(x;  3)\vec{a} = (x;\; 3) ir b⃗=(4;  −8)\vec{b} = (4;\; -8) yra statmeni.

  5. Apskaičiuokite ∣a⃗∣|\vec{a}|, jei a⃗=(−7;  24)\vec{a} = (-7;\; 24).

  6. Trikampio viršūnės A(2;  1)A(2;\; 1), B(6;  3)B(6;\; 3), C(4;  7)C(4;\; 7). Raskite kampą BB.

  7. Raskite vektoriaus a⃗=(4;  3)\vec{a} = (4;\; 3) projekciją ant vektoriaus b⃗=(1;  0)\vec{b} = (1;\; 0).

  8. Duoti vektoriai a⃗=(2;  1)\vec{a} = (2;\; 1) ir b⃗=(−1;  3)\vec{b} = (-1;\; 3). Raskite kampą tarp vektorių a⃗+b⃗\vec{a} + \vec{b} ir a⃗−b⃗\vec{a} - \vec{b}.

  9. Patikrinkite, ar trikampis su viršūnėmis A(1;  3)A(1;\; 3), B(5;  1)B(5;\; 1), C(3;  7)C(3;\; 7) yra stačiasis.

  10. Vektoriaus a⃗\vec{a} ilgis lygus 5, o vektoriaus b⃗\vec{b} ilgis lygus 8. Kampas tarp jų 60°60°. Apskaičiuokite a⃗⋅b⃗\vec{a} \cdot \vec{b} ir ∣a⃗+b⃗∣|\vec{a} + \vec{b}|.