П.2. Действия над векторами
Мы будем предполагать, что читатель знаком со свойствами векторных операций сложения, умножения на число, скалярного и векторного произведений. Векторы будут обозначаться полужирными буквами. Обычно мы будем представлять векторы в виде столбцов, и поэтому при их построчной записи необходимо использовать операцию транспонирования, обозначаемую верхним индексом Т.
П.2.1. Сложные произведения векторов
Смешанное произведение определяется следующим образом:
с. Абсолютная величина результата не зависит от порядка сомножителей, поскольку она представляет собой объем «натянутого» на векторы параллелепипеда. Знак результата не меняется при циклической перестановке сомножителей. Если три вектора лежат в одной плоскости, то они линейно зависимы и их смешанное произведение равно нулю.
Следующие тождества применимы к другому типу сложного произведения векторов:
Отсюда имеем
Из последних соотношений получаем
Заметьте, что последняя величина всегда неотрицательна. Имеют место тождества
Из них следует, что
и поэтому
Каждый данный вектор
можно выразить через три независимых вектора а, b и с:
Это тождество можно использовать при решении линейных векторных уравнений.
П.2.2. Решение векторных уравнений
Предположим, что нам необходимо найти вектор х, если известны его скалярные произведения с тремя линейно независимыми векторами
, т. е.
Неизвестный вектор х можно выразить через любые три линейно независимых вектора. Вместо вектора
возьмем их попарные векторные произведения и представим х в виде линейной комбинации:
Осталось определить три скаляра,
и
Взяв скалярное произведение написанного выражения с тремя векторами а, b и с, получаем и
Таким образом,
Этот же результат можно получить, если заметить, что
Изложенный выше метод эквивалентен решению системы трех уравнений с тремя неизвестными. Поэтому его можно применить для обращения матрицы М размера
строками которой служат векторы
Определитель этой матрицы равен
Согласно предыдущему результату, матрица, обратная к М, состоит из векторов-столбцов, равных попарным векторным произведениям, деленным на определитель:
Результат легко проверить путем перемножения матриц. Существует аналогичная симметричная форма записи, которая получается, если исходную матрицу рассматривать как состоящую из векторов-столбцов, а не векторов-строк.
Теперь мы перейдем к другим векторным уравнениям. Пусть дано уравнение
из которого необходимо найти х. Можно показать, что
, откуда при
следует
Теперь рассмотрим другое векторное уравнение
из которого мы снова хотим найти х. Взяв скалярное произведение с вектором
получаем
, откуда при
следует
Далее рассмотрим задачу определения вектора х, когда известны его длина и скалярные произведения с двумя контрольными векторами
т. е.
Мы знаем, что, если
не параллельны, векторы
и
линейно независимы. Следовательно, неизвестный вектор можно представить в виде
Мы можем найти и и
из соотношений
Крометого,
и отсюда
на
Теперь
на
или
Следовательно, имеются два решения: