Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 11. Іолигонирование и центрпрование векторов. Положим, что нам дано несколько векторов $\boldsymbol{v}_{1}, \boldsymbol{v}_{2}, \boldsymbol{v}_{3}, \ldots, \boldsymbol{v}_{n}$, которые изображаютея ориентированными отревками $A_{1} B_{1}, A_{2} B_{2}^{n}, \ldots, A_{n} B_{n}$ (фиг.2). Из произвольной точки $P$ проведем ориентированный отрезок $P P_{1}$, әквиполлентный $A_{1} B_{1}$. Из конца $P_{1}$ этого отрезка проведем ориентированный отрезок $P_{1} P_{2}$, эквнполлентный $A_{2} B_{2}$; из конца $P_{2}$ этого отрезка проведем отрезок $P_{2} P_{3}$, эквиполлентный $A_{3} B_{3}$, и т.д. Это приведет нас в результате к отрезку $P_{n-1} P_{n}$, эківиполлентному $A_{n} B_{n}$. Это построение называется полигонированием отрезков $\boldsymbol{A}_{1} B_{1}, \boldsymbol{A}_{2} B_{2}, \ldots, \boldsymbol{A}_{n} B_{n}$ в порядке их задания. Так как, однако, полигон, который мы таким образом получаем, не меняется, если мы любой отрезок $A_{i} B_{i}$ замевяем эквиполлентным отрезком $A_{i}^{\prime} B_{i}^{\prime}$, то все построение определяется, по существу, не столько ориентированними отрезками $A_{1} B_{1}, A_{2} B_{2}, \ldots, A_{n} B_{n}$, сколько самыми векторами $\boldsymbol{v}_{1}, \boldsymbol{v}_{2}, \ldots, \boldsymbol{v}_{n}$; поэтому процесс этот называется проще полигонированием векторов $\boldsymbol{v}_{1}, \boldsymbol{v}_{2}, \ldots, \boldsymbol{v}_{n}$. Если компоненты вектора $\boldsymbol{v}_{i}$ обозначим через $X_{i}, Y_{i}, Z_{i}$, координаты точки $P$ через $x, y, z$, а координаты точки $P_{i}$-через $x_{i}, y_{i}, z_{i}$, то ясно, что Отсюда Здесь суммирование распространяется на значения индекса $i$ от 1 до $n$, как вто и указано при знаке $\sum_{\text {i }}$. Если все ориентированные отрезки $A_{1} B_{1}, \ldots, A_{n} B_{n}$ заменить әквиполлентными, исходя не от последовательно получаемых точек $P_{1}^{\prime}, P_{2}, \ldots, P_{n}^{\prime}$, а от общей начальнон точки $P$ (фиг. 3), т. е. если при общей точке $P$, как начале, построим ориентированные отрезки $P P_{1}, P P_{2}, \ldots, P P_{n}$, изображающие ваданные векторы $\boldsymbol{v}_{1}, \boldsymbol{v}_{2}, \ldots, \boldsymbol{v}_{n}$, то этот процесс называется центрированием данных векторов. Если векторы при центрировании расцола- начальной точки $P$ или $P^{\prime}$ к последней конечной точке $P_{n}$ или $P_{n}^{\prime}$, эквиполлентны между собой, а потому могут быть рассматриваемы как изображения одного и того же вектора $\boldsymbol{\eta}$; этот вектор называют суммой или результирущей векторов $\boldsymbol{v}_{1}, \boldsymbol{v}_{2}, \ldots, \boldsymbol{v}_{n}$ и обоаначают это, как в случае алгебрапческой суммы: Векторы $\boldsymbol{v}_{1}, \boldsymbol{v}_{2}, \ldots, \boldsymbol{v}_{n}$ называются по отношению к вектору v слагаемыми или слагающини. Таким образом, чтобъ сложить жесколько векторов (т. е. построить их сумму), нужно их полигонировать; исходя от люоой начальной точки $P$, и замкнуть получающийся полигон ориентированным отрезком, идущим от начальной точки полигона $P$ к конечной его точке $P_{n}$; ориентированний отрезок $\overline{P P}_{n}$ изобразит вектор, представляючий собою сумму заданных векторов (в порядке их задания). Если поэтому обозначим координаты суммы $v$ через $X, Y, Z$, то в силу соотношений (10): Эти же равенства непосредственно устанавливают формулированное выше предложение; это вряд ли нуждается в дальней. шем пояснении. Отсюда вытекает еще слөдующий вывод: проекиия суммы нескольких векторов на любое направление совпадает с суммой проекций слагаемых векторов на по же направление. Это. свойство остается в силе и в случае проектирования вектора на заданную. плоскость. Чтобы это обнаружить, достаточно принять эту плоскость за одну из координатных плоскостек, скажем, за плоскость $x y$. Тогда компоненты вектөра $\boldsymbol{v}_{i}$ будут иметь значения $X_{i}, Y_{i}, Z_{i}$, а компоненты результирующего вектора (оуммы) $-Y, \bar{Y}$, где $X$ и $Y$ попрежнему определяютоя пөрвыми двумя равенствами (11); а эти равенства и обнаруживают, что проекция результируючего вектора (суммь) совпадает с результирующей (или суммой) проекиий слагаемых векторов. выражается диагональю $O A_{2}$ параллелограма $O A_{1} A_{2} A_{1}{ }^{\prime}$, который получается, если мы центрируем данные векторы в точке $O$ и полученные два отрезка дополним до параллелограма (фиг. 4); в самом деле, ориентированный отрезок $O A_{2}$ можно рассматривать, как замнкающий полигон $O A_{1} A_{2}$ (или $O A_{1}^{\prime} A_{2}$ ), стороны которого изображают векторы $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$ (или $\boldsymbol{v}_{2}$ и $\boldsymbol{v}_{1}$ ). Самый этот параллелограм или любой другой с әквиполлентными сторонами, построенный при другом начале центрирования, навывается параллелограмом даннъх двух векторов. выражается диагональю параллелепипеда, построенного на данных трех векторах (т. е. имеющего эти три вектора своими ребрами, фиг. 5). Но некоторые из этих многообразных разлозений находят себе применение особенно часто; на них мы остановимся подробно. Прежде всего. предшоложнм, что нам даны три некомпланарные (т. е. не параллельные одной и той же плоскости) направления $r_{1}, r_{2}, r_{3}$. \”Јерез произвольную точку $A$ проведем отрезок $A B$, представляющий вектор $v$, и три прямые, имеющи Таким образом каждый вектор может быть однозначно разложен на три слагающие вектора по данным трем некомпланарным направлениям; однозначность разложения непосредственно вытекает из построения. Эти три слагающие часто называют также слагаюшими вектора $\boldsymbol{v}$ по заданным Фиг. 6. трем направлениям. Совершенно ясно, что одна из этих трех слагающих обращается в нуль в том, и только в том, случае, если вектор $v$ компланарен с двумя из заданных трех направлений; две слагающие исчезают, когда вектор $\boldsymbol{v}$ коллинеарен с одним из әтих трех направлений (т. е. параллелен прямым, имеюцим әто направление). Теперь в качестве второго, весьиа часто встречающегося, разложения приведем следующее. Положнм, что нам даны направления прямой и плоскости ${ }^{1}$ ), по которым нужно пропзвести равложение вектора. представляет собою параллелограм, имеющий диагональю отрезок $A B$, а сторонами $A B^{\prime}$ и $A B^{\prime \prime}$; вместе с тем Векторы $\overline{A B^{\prime}}$ и $\overline{A B^{\prime \prime}}$ называются слагающими вектора $\boldsymbol{v}$ по направлению прямой $r$ и направ̈лению плоскости $\pi$. В обобщение этого называют произведением вектора на любое вещественное число а вектор, имеющий длину $|a| v$, то же направление, что и вектор $\boldsymbol{v}$, и обращенний в ту же сторону, что и $\boldsymbol{v}$, если а есть число положительное, и в противополож: ную сторону, если а есть число отрицательное. Это произведение обозначается символами аг или vа-безразлично. По самому определению произведение $a v$ обращается в нуль только в том случае, если обращается в нуль либо вектор $\boldsymbol{v}$, либо число $a$ (либо, конечно, $a$ и $v$ совчестно). Таким образом вектор $\boldsymbol{\sigma}$ всегда коллинеарен с вектором $\boldsymbol{0}$. Обратно, если вектор $\boldsymbol{v}^{\prime}$ коллинеарен с вектором $\boldsymbol{v}$ и последний отличен от нуля, то всегда существует одно, и только одно, вещественное число $a$, при котором абсолютная величина этого числа равна отношению длин $\frac{v^{\prime}}{v}$; оно должно иметь знак + , если вектор $\boldsymbol{v}^{\prime}$ обращен в ту же сторову; что и $\boldsymbol{v}$, и знак -, если он обращен в противоположную сторону; если $\boldsymbol{v}^{\prime}=0$, то $a=0$. Предыдущее равенство выражает, таким образом, условие, необходимое и достаточное для того, чтобы вектор $\boldsymbol{v}^{\prime}$ был коллинеарен с $\boldsymbol{v}$. Так как, однако, это условие предполагает, что $\boldsymbol{v} Если, скажем, $a_{1} Остановимся еще на простейших частных случаях. Если в формуле (12) $a=-1$, то умножение приводит к вектору (-1) $v$, имеющему ту же длину и то же направление, что и $\boldsymbol{v}$, но обращенному в противоположную сторону; такой вектор называют противоположным вектору $\boldsymbol{v}$ и обозначают просто символом – $\boldsymbol{\eta}$. Кроме того, если вектор $\boldsymbol{v}$ имеєт по отношению к какой-либо системе координат компонентн $X, Y, Z$, то вектор ау имеет компоненты $a X, a Y$, $a Z$. Доказатөльство первых двух из этих тождеств непосредственно ясно; что касается третьего, то его, конечно, было бы нетрудно провести на основании определения предыдущей рубрики; но это можно сделать проще, если обнаружить, что векторы, занимающие обе части равенства, имеют одинаковые компоненты по любой оси 1 ). Остановимся на случае $n=2$. Мы уже видели выше, что при надлежащих значениях числа $a_{1}$ и $a_{2}$ вектор обращается в нуль, когда векторы $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$ коллинеарны. Если векторы $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$ не коллинеарнн, то они совместно определяют некоторое двумерное направлевие, а при центрировании – плоскость этого направления. Ясно, что в этой плоскости лежат также векторы $a_{1} \boldsymbol{v}_{1}$ и $a_{2} \boldsymbol{v}_{2}$, а также их сумма $\boldsymbol{v}(13)$. Итак, вектор, определяемый линейным выражением (13), компланарен с векторами $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$. Обратно, если вектор $\boldsymbol{v}$ компланарен с двумя неколлинеарными векторами $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$, то он разлагается на два слагающие вектора по направлениям $v_{1}$ и $v_{2}$; эти слагающие по формуле (13) выражаются произведениями $a_{1} v_{1}$ и $a_{2} v_{2}$ с надлежащими коәфициентами $a_{1}$ и $a_{2}$, а поэтому вектор v может быть представлен линейным выражением (13). Соотношение (13) представляет собою, таким образом, условие, необходимое и достаточное для того; чтобы вектор $v$ был компланарен с двумя неколлинеарными векторами $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$. В более общей форме, не имеющей нигаких изъятий, это предложение выражают еще так: для того чтобы три вентора $\boldsymbol{v}_{1}, \boldsymbol{v}_{2}, \boldsymbol{v}_{3}$ были колеланарны, необходимо и достаточно, чтобы существовали три числа $a_{1}, a_{2}, a_{3}$, не ооращаюшеся совместно в нуль, при которых Очень важным частным случаем вектора, компланарного с векторами $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$, является их разность $\boldsymbol{v}_{1}-\boldsymbol{v}_{2}$, т. е. вектор, сложение которого с вектором $\boldsymbol{v}_{2}$ дает вектор $\boldsymbol{v}_{1}$; он изображается втөрой диагональю $A_{1}^{\prime} A_{1}$ параллелограма $O A_{1} A_{2} A_{1}^{\prime}$, построенного на векторах $v_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$ (фиг. 9); точнее: чтобы построить разность $\boldsymbol{v}_{1}-\boldsymbol{v}_{2}$ векторов $\boldsymbol{v}_{1} \boldsymbol{\text { и }} \boldsymbol{v}_{2}$, можно постугіть следующим образом: центрировать оба вектора при произвольной точке $O$ и построить вектор, идущий от конца вектора $\boldsymbol{v}_{2}$ (въитаемого) $n$ кониу вектора $\boldsymbol{v}_{1}$. В тесной связи с этим стоит сөотношение между вектором и радиусами-векторами его концов. Часто бывает целесообразно определять положение любон точки пространства $A$ векторными средствами относительно некоторой фиксированной точки $O$ начала, играющего здесь ту же роль, что и начало координат в аналитической геометрии. Вектор $r$, идущий от начала $O$ к точке $A^{1}$ ), называется радиусом-вектором точкн $A$. При фикеированном начале положение точки вполне определяется ее радиусом-вектором. Любой вектер $A_{1} A_{2}$ всегда равен разностіт радиусов-векторов конца $\left(r_{2}\right)$ н начала $\left(r_{1}\right)$ отрезка $A_{1} A_{2}$, изображающего этот вектор (фиг. 10): В заключение заметим, что все правила буквенного исчисления с относительными числами (пмеющими знак + или -), относящиеся к преобразованию суммы или разности алгебравческих многочленов, к умножению многочлена на число, к приведенио подобных членов, применяются без изменении к векториальным выражениям вида $\sum a_{i} v_{i}$. Это вытекает из предложений рубр. 13, а также из орределений и тождеств, установленных в рубр. 15. Тешерь обозначим через $\boldsymbol{i}, \boldsymbol{j}, \boldsymbol{k}$ три единичных вектора, которые имеют каждый направление п сгорону обращения соответствующей ориентированной оси $x, y, z$; эти три единичных вектора называются основными версорами установленного координатного триәдра. В силу соотношения (12): Отсвда получаем выражение: играющее в векторном исчислении коренную роль, как векторнокоординатное задание данного вектора. В тесной связи с этим находится соотношение, которым в дальнейшем придется пользоваться очень часто. Пусть $x, y, z$ будут координаты произвольной точки $P$. Эти же числа служат компонентами радиуса-вектора $\overline{O P}$ точки $P$. Поэтому
|
1 |
Оглавление
|