РК: А8 (проекция), А9 (скалярное произведение), А10 (линейность), А11 (вычисление в ОНБ), А12 (косинус угла), А15 (симметричность — первая половина), Б3 (доказательство линейности), Б4 (вывод формулы в ОНБ); дополнение из лекций: Г3 (направляющие косинусы).
Суть
Скалярное произведение — число, которое «измеряет» вектор вдоль другого: ∣b∣ раз проекция a на b. Из него получаются длины, углы, перпендикулярность и, позже, расстояние от точки до плоскости. В ОНБ оно считается как сумма попарных произведений координат.
Определения
Ортогональная скалярная проекция (А8) вектора a на направление вектора b=0 — число Прba=∣a∣cosφ,φ=∠(a,b)∈[0,π]. Знак проекции: + при остром угле, − при тупом, 0 при прямом.
Скалярное произведение (А9) векторов a и b — число a⋅b=∣a∣∣b∣cosφ=∣b∣Прba=∣a∣Прab. Если хотя бы один вектор нулевой, a⋅b=0.
Свойства
Симметричность (А15):a⋅b=b⋅a (косинус чётный).
Линейность (А10):(a+b)⋅c=a⋅c+b⋅c; (λa)⋅b=λ(a⋅b).
Положительность:a⋅a=∣a∣2≥0, и =0⟺a=0.
Ортогональность (теорема 4.1 лекций): два ненулевых вектора ортогональны ⟺a⋅b=0.
Знак и угол (лекции): a⋅b>0 — угол острый, =0 — прямой, <0 — тупой (знак совпадает со знаком cosφ).
Доказательство линейности (Б3)
Опора: a⋅c=∣c∣Прca и свойства ортогонального проектирования: проекция суммы равна сумме проекций, Прc(λa)=λПрca.
Случай нулевого вектора (в лекциях разобран первым): если c=0, то обе части равенства (a+b)⋅c=a⋅c+b⋅c равны нулю; если b=0, то (λa)⋅0=0=λ(a⋅0). Дальше векторы, на которые проектируем, ненулевые.
(a+b)⋅c=∣c∣Прc(a+b)=∣c∣(Прca+Прcb)=a⋅c+b⋅c.
(λa)⋅b=∣b∣Прb(λa)=∣b∣λПрba=λ(a⋅b).
Линейность по второму аргументу следует из симметричности. ■
Вычисление в ОНБ (А11, теорема 4.2 лекций)
a⋅b=xaxb+yayb+zazb.
Вывод (Б4)
Разложим по ОНБ: a=xai+yaj+zak, b=xbi+ybj+zbk. В ОНБ i⋅i=j⋅j=k⋅k=1,i⋅j=j⋅k=k⋅i=0. По линейности раскрываем скобки: получаются девять слагаемых xaxb(i⋅i)+xayb(i⋅j)+…. Шесть смешанных обнуляются, три остаются: a⋅b=xaxb+yayb+zazb.■
В ОНБ координата вектора — его проекция на ось: x1=Прix=∣x∣cosα, x2=∣x∣cosβ, x3=∣x∣cosγ, где α,β,γ — углы вектора с i,j,k. Числа cosα,cosβ,cosγ — направляющие косинусы. Подставив в ∣x∣2=x12+x22+x32, получаем cos2α+cos2β+cos2γ=1. Направляющие косинусы — это координаты орта x0=x/∣x∣.