 |
|
Как определить коллинеарность векторов пространства?
Правило очень похоже. Для того чтобы два вектора пространства 
были коллинеарны, необходимо и достаточно, чтобы их соответствующие координаты были пропорциональны 
.
Пример 5
Выяснить, будут ли коллинеарны следующие векторы пространства:
а) 
;
б) 
в) 
Решение:
а) Проверим, существует ли коэффициент пропорциональности для соответствующих координат векторов:
Система не имеет решения, значит, векторы 
не коллинеарны.
«Упрощёнка» оформляется проверкой пропорции 
. В данном случае:
– соответствующие координаты не пропорциональны, значит, векторы не коллинеарны.
Ответ: векторы не коллинеарны.
б-в) Это пункты для самостоятельного решения. Попробуйте его оформить двумя способами.
Существует метод проверки пространственных векторов на коллинеарность и через определитель третьего порядка, данный способ освещен в статье Векторное произведение векторов.
Аналогично плоскому случаю, рассмотренный инструментарий может применяться в целях исследования параллельности пространственных отрезков и прямых.
Добро пожаловать во второй раздел:
Линейная зависимость и независимость векторов трехмерного пространства.
Пространственный базис и аффинная система координат
Многие закономерности, которые мы рассмотрели на плоскости, будут справедливыми и для пространства. Я постарался минимизировать конспект по теории, поскольку львиная доля информации уже разжёвана. Тем не менее, рекомендую внимательно прочитать вводную часть, так как появятся новые термины и понятия.
Теперь вместо плоскости компьютерного стола исследуем трёхмерное пространство. Сначала создадим его базис. Кто-то сейчас находится в помещении, кто-то на улице, но в любом случае нам никуда не деться от трёх измерений: ширины, длины и высоты. Поэтому для построения базиса потребуется три пространственных вектора. Одного-двух векторов мало, четвёртый – лишний.
И снова разминаемся на пальцах. Пожалуйста, поднимите руку вверх и растопырьте в разные стороны болՌ鍈젾ѯ쓐縠嬵顒ғ嚷Ұ䙂ельный и средний палец. Это будут векторы 
, они смотрят в разные стороны, имеют разную длину и имеют разные углы между собой. Поздравляю, базис трёхмерного пространства готов! Кстати, не нужно демонстрировать такое преподавателям, как ни крути пальцами, а от определений никуда не деться =)
Далее зададимся важным вопросом, любые ли три вектора образуют базис трехмерного пространства? Пожалуйста, плотно прижмите три пальца к столешнице компьютерного стола. Что произошло? Три вектора расположились в одной плоскости, и, грубо говоря, у нас пропало одно из измерений – высота. Такие векторы являютсякомпланарными и, совершенно очевидно, что базиса трёхмерного пространства не создают.
Следует отметить, что компланарные векторы не обязаны лежать в одной плоскости, они могут находиться в параллельных плоскостях (только не делайте этого с пальцами, так отрывался только Сальвадор Дали =)).
Определение: три вектора называются компланарными, если существует плоскость, которой они параллельны. Здесь логично добавить, что если такой плоскости не существует, то и векторы будут не компланарны.
Компланарные векторы всегда линейно зависимы, то есть линейно выражаются друг через друга. Для простоты снова представим, что они лежат в одной плоскости. Во-первых, векторы мало того, что компланарны, могут быть вдобавок ещё и коллинеарны, тогда любой вектор можно выразить через любой вектор. Во втором случае, если, например, векторы 
не коллинеарны, то третий вектор выражается через них единственным образом: 
(а почему – легко догадаться по материалам предыдущего раздела).
Справедливо и обратное утверждение:три некомпланарных вектора всегда линейно независимы, то есть никоим образом не выражаются друг через друга. И, очевидно, только такие векторы могут образовать базис трёхмерного пространства.
Определение: Базисом трёхмерного пространства называется тройка линейно независимых (некомпланарных) векторов 
, взятых в определённом порядке, при этом любой вектор пространства единственным образом раскладывается по данному базису 
, где 
– координаты вектора 
в данном базисе
Напоминаю, также можно сказать, что вектор представлен в виде линейной комбинации базисных векторов.
Понятие системы координат вводится точно так же, как и для плоского случая, достаточно одной точки и любых трёх линейно независимых векторов:
Точка 
пространства, которая называетсяначалом координат, и некомпланарныевекторы , взятые в определённом порядке, задаютаффинную систему координат трёхмерного пространства:
Конечно, координатная сетка «косая» и малоудобная, но, тем не менее, построенная система координат позволяет нам однозначно определить координаты любого вектора и координатной любой точки пространства. Аналогично плоскости, в аффинной системе координат пространства не будут работать некоторые формулы, о которых я уже упоминал.
Наиболее привычным и удобным частным случаем аффинной системы координат, как все догадываются, является прямоугольная система координат пространства:
Точка пространства, которая называетсяначалом координат, иортонормированныйбазис 
задаютдекартову прямоугольную систему координат пространства. Знакомая картинка:
Перед тем, как перейти к практическим заданиям, вновь систематизируем информацию:
Для трёх векторов пространства эквиваленты следующие утверждения:
1) векторы линейно независимы;
2) векторы образуют базис;
3) векторы не компланарны;
4) векторы нельзя линейно выразить друг через друга;
5) определитель, составленный из координат данных векторов, отличен от нуля.
Противоположные высказывания, думаю, понятны.
Линейная зависимость / независимость векторов пространства традиционно проверяется с помощью определителя (пункт 5). Оставшиеся практические задания будут носить ярко выраженный алгебраический характер. Пора повесить на гвоздь геометрическую клюшку и орудовать бейсбольной битой линейной алгебры:
Три вектора пространства 
компланарны тогда и только тогда, когда определитель, составленный из координат данных векторов, равен нулю: 
.
Обращаю внимание на небольшой технический нюанс: координаты векторов можно записывать не только в столбцы, но и в строки (значение определителя от этого не изменится – см. свойства определителей). Но гораздо лучше в столбцы, поскольку это выгоднее для решения некоторых практических задач.
Тем читателям, которые немножко позабыли методы расчета определителей, а может и вообще слабо в них ориентируются, рекомендую один из моих самых старых уроков: Как вычислить определитель?
Пример 6
Проверить, образуют ли базис трёхмерного пространства следующие векторы:
а) 
б) 
Решение: Фактически всё решение сводится к вычислению определителя.
а) Вычислим определитель, составленный из координат векторов 
(определитель раскрыт по первой строке):
, значит, векторы линейно независимы (не компланарны) и образуют базис трёхмерного пространства.
Ответ: данные векторы образуют базис
б) Это пункт для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.
Встречаются и творческие задачи:
Пример 7
При каком значении параметра 
векторы 
будут компланарны?
Решение: Векторы компланарны тогда и только тогда, когда определитель, составленный из координат данных векторов равен нулю:
По существу, требуется решить уравнение с определителем. Налетаем на нули как коршуны на тушканчиков – определитель выгоднее всего раскрыть по второй строке и сразу же избавиться от минусов:
Проводим дальнейшие упрощения и сводим дело к простейшему линейному уравнению:
Ответ: при 
Здесь легко выполнить проверку, для этого нужно подставить полученное значение в исходный определитель и убедиться, что 
, раскрыв его заново.
В заключение рассмотрим ещё одну типовую задачу, которая носит больше алгебраический характер и традиционно включается в курс линейной алгебры. Она настолько распространена, что заслуживает отдельного топика:
Доказать, что 3 вектора образуют базис трёхмерного пространства
и найти координаты 4-го вектора в данном базисе
Пример 8
Даны векторы 
. Показать, что векторы 
образуют базис трехмерного пространства и найти координаты вектора 
в этом базисе.
Решение: Сначала разбираемся с условием. По условию даны четыре вектора, и, как видите, у них уже есть координаты в некотором базисе. Какой это базис – нас не интересует. А интересует следующая вещь: три вектора вполне могут образовывать новый базис. И первый этап полностью совпадает с решением Примера 6, необходимо проверить, действительно ли векторы линейно независимы:
Вычислим определитель, составленный из координат векторов :
, значит, векторы линейно независимы и образуют базис трехмерного пространства.
! Важно: координаты векторов обязательно записываем в столбцыопределителя, а не в строки. Иначе будет путаница в дальнейшем алгоритме решения.
Теперь вспомним теоретическую часть: если векторы 
образуют базис, то любой вектор можно единственным способом разложить по данному базису: , где – координаты вектора в базисе .
Поскольку наши векторы образуют базис трёхмерного пространства (это уже доказано), то вектор 
можно единственным образом разложить по данному базису:
, где 
– координаты вектора в базисе 
.
По условию и требуется найти координаты .
Для удобства объяснения поменяю части местами: 
. В целях нахождения следует расписать данное равенство покоординатно:
По какому принципу расставлены коэффициенты? Все коэффициенты левой части в точности перенесены из определителя 
, в правую часть записаны координаты вектора 
.
Получилась система трёх линейных уравнений с тремя неизвестными. Обычно её решают по формулам Крамера, часто даже в условии задачи есть такое требование.
Главный определитель системы уже найден:
, значит, система имеет единственное решение.
Дальнейшее – дело техники:
Таким образом:
– разложение вектора по базису 
.
Ответ: 
Как я уже отмечал, задача носит алгебраический характер. Векторы, которые были рассмотрены – это не обязательно те векторы, которые можно нарисовать в пространстве, а, в первую очередь, абстрактные векторы курса линейной алгебры. Для случая двумерных векторов можно сформулировать и решить аналогичную задачу, решение будет намного проще. Однако на практике мне такое задание ни разу не встречалось, именно поэтому я его пропустил в предыдущем разделе.
Такая же задача с трёхмерными векторами для самостоятельного решения:
Пример 9
Даны векторы 
. Показать, что векторы образуют базис и найти координаты вектора 
в этом базисе. Систему линейных уравнений решить методом Крамера.
Полное решение и примерный образец чистового оформления в конце урока.
Аналогично можно рассмотреть четырёхмерное, пятимерное и т.д. векторные пространства, где у векторов соответственно 4, 5 и более координат. Для данных векторных пространств тоже существует понятие линейной зависимости, линейной независимости векторов, существует базис, в том числе, ортонормированный, разложение вектора по базису. Да, такие пространства невозможно нарисовать геометрически, но в них работают все правила, свойства и теоремы двух и трех мерных случаев – чистая алгебра. Собственно, о философских вопросах меня уже пробивало поговорить в статье Частные производные функции трёх переменных, которая появилась раньше данного урока.
Пример 2:Решение: составим пропорцию из соответствующих координат векторов:
Ответ:при 
Пример 4:Доказательство:Трапециейназывается четырёхугольник, у которого две стороны параллельны, а две другие стороны не параллельны.
1) Проверим параллельность противоположных сторон 
и 
.
Найдём векторы:
Вычислим определитель, составленный из координат векторов 
:
, значит, данные векторы не коллинеарны, и стороны 
не параллельны.
2) Проверим параллельность противоположных сторон 
и 
.
Найдём векторы:
Вычислим определитель, составленный из координат векторов 
:
, значит, данные векторы коллинеарны, и 
.
Вывод:Две стороны четырёхугольника 
параллельны, а две другие стороны не параллельны, значит, он является трапецией по определению. Что и требовалось доказать.
Пример 5:Решение:
б) Проверим, существует ли коэффициент пропорциональности для соответствующих координат векторов:
Система не имеет решения, значит, векторы 
не коллинеарны.
Более простое оформление:
– вторая и третья координаты не пропорциональны, значит, векторы не коллинеарны.
Ответ:векторы не коллинеарны.
в) Исследуем на коллинеарность векторы 
. Составим систему:
Соответствующие координаты векторов пропорциональны, значит 
Вот здесь как раз не проходит «пижонский» метод оформления.
Ответ:
Пример 6:Решение: б) Вычислим определитель, составленный из координат векторов 
(определитель раскрыт по первой строке):
, значит, векторы линейно зависимы и не образуют базиса трёхмерного пространства.
Ответ: данные векторы не образуют базиса
Пример 9:Решение:Вычислим определитель, составленный из координат векторов :
Таким образом, векторы линейно независимы и образуют базис.
Представим вектор 
в виде линейной комбинации базисных векторов:
Покоординатно:
Систему решим по формулам Крамера:
, значит, система имеет единственное решение.
Ответ:Векторы 
образуют базис, 