Вектори
✈️ Пилот насочва самолета точно на север и лети с спрямо въздуха. Но вятърът духа на изток с . Къде ще бъде след един час? Не на 200 km на север и не на 250 km „някъде“. Двете скорости се събират не като числа, а като стрелки – и самолетът лети по диагонала, малко по-бързо и отклонен на изток. Величините, които имат и големина, и посока – скорост, сила, преместване – се описват с вектори.
1. Какво е вектор?
🤔 Загадка: „Отидох 5 km и се върнах 5 km. Колко съм изминал?“ – 10 km. „А на какво разстояние съм от началото?“ – 0 km. Изминатият път е число, а преместването е вектор: двете премествания са равни по дължина, но противоположни по посока, и се унищожават.
Вектор
Векторите и имат еднаква дължина, но противоположни посоки: . Ненулеви вектори, които лежат на успоредни прави (или на една права), се наричат колинеарни.
2. Събиране и изваждане
Правило на триъгълника и на успоредника
Доказателство
- Правилото на триъгълника е самото определение на сбора: първо се преместваме от до , после от до – общото преместване е от до .
- Успоредник: в срещуположните страни и са равни и успоредни, и векторите и са еднопосочни – значи са равни. Тогава .
- Разлика: от правилото на триъгълника , затова .
- Разместителност: , а (защото и ). Съдружителност: и .
∎
a + b = (4; 1) + (1; 3) = (5; 4)
Слагаме началото на b в края на a; сборът е от началото на a до края на b.
|a| = 4,12, |b| = 3,16, |a + b| = 6,4
💡 Влачи краищата на векторите a и b. Координатите на сбора са сборовете на координатите: събирането „поставя“ b в края на a.
Пример
е успоредник, , . Да изразим , и чрез и .
- (, защото са равни и еднопосочни)
3. Умножение с число
Произведение на вектор с число
Това дава удобен запис на познати факти. Ако е средата на , то за всяка точка : . в триъгълник удовлетворява – едновременно казва, че е успоредна и два пъти по-къса. Нещо повече: всеки вектор в равнината се изразява по единствен начин чрез два неколинеарни вектора.
Разлагане на вектор
Доказателство на разлагането
- Съществуване: нанасяме , и с общо начало , като . През прекарваме прави, успоредни на и на ; те пресичат правите на и на в точките и . Получаваме успоредник и .
- лежи на правата на , значи е колинеарен с (или е нулев) и за някое число . По същия начин . Следователно . (Ако е колинеарен с , просто .)
- Единственост: ако , то . Ако , бихме получили , т.е. и колинеарни – противоречие. Значи , а оттам и .
∎
(3; 4) = x · (2; 1) + y · (−1; 2)
2x − y = 3; x + 2y = 4
x = 2, y = 1 ⇒ c = 2a + b
💡 Влачи c (зелено), а също a и b. През края на c прекарваме прави, успоредни на a и b – така се получава успоредник, чиито страни са x·a и y·b.
Обърни внимание: намирането на и е точно система уравнения, а условието и да не са колинеарни е условието ѝ да не е 0.
4. Координати на вектор
Действия в координати
Доказателство
- Нека и са единичните вектори по осите. Координатите на вектора означават точно разлагането – то е единствено по теоремата за разлагане.
- Сбор и умножение с число: – просто групираме събираемите пред и пред . Аналогично .
- „Край минус начало“: , а координатите на и са координатите на точките и .
- Дължина: е хипотенуза на правоъгълен триъгълник с катети и , затова по Питагоровата теорема .
- Среда: ; в координати това е .
∎
Пример
и . Да намерим , дължината му и средата на .
Пример
При кое векторите и са колинеарни?
- Колинеарни ⇔ координатите са пропорционални:
- (тогава )
5. Скаларно произведение
Скаларно произведение
Доказателство на формулата в координати
- Нанасяме и от обща точка : , . Тогава и в триъгълника ъгълът при е . По косинусовата теорема
- Същото в координати:
- Сравняваме двата израза и получаваме . (Ако и са колинеарни, триъгълник няма, но равенството се проверява направо.)
- Следствия: . За ненулеви вектори .
- Абзацът по-долу върви в обратна посока: ако приемем формулата в координати за известна, от нея следва косинусовата теорема. Двата факта са равносилни.
∎
a · b = 5 · 2 + 1 · 4 = 14
|a| · |b| · cos φ = 5,1 · 4,47 · 0,614 = 14
a · b > 0 ⇒ ъгълът е остър
💡 Скаларното произведение е число, а не вектор. То е |a| по проекцията на b върху a (със знак) – положително при остър ъгъл, нула при прав и отрицателно при тъп.
Пример
Да намерим ъгъла между и .
Двете формули за скаларното произведение свързват координатите с тригонометрията. Например от веднага следва .
6. Тренажор
Пресметни координатите на линейната комбинация.
a = (2; −4), b = (−2; 3). Намери −2a − 3b.
7. Задачи от живота
Във физиката почти всичко е вектор: скорост, сила, преместване, . Те се събират по правилото на успоредника.
✈️ Самолет и вятър
Самолет лети спрямо въздуха на север със скорост , а вятърът духа на изток с . С каква скорост се движи самолетът спрямо земята?
🚣 Лодка през река
Лодка се движи перпендикулярно на брега с спрямо водата, а течението е . Реката е широка . За колко време лодката ще стигне другия бряг и на колко метра надолу по течението ще я отнесе?
🪢 Две сили
Две момчета дърпат шейна с въжета под прав ъгъл едно спрямо друго – с 30 N и 40 N. Каква е големината на равнодействащата сила?
🛷 Работа
Шейна се тегли 20 m по хоризонтален път с въже под ъгъл 60° спрямо пътя и сила 50 N. Каква работа извършва силата? (Работата е скаларното произведение на силата и преместването.)
🥾 Разходка
Туристка върви 3 km на изток, после 4 km на север и накрая 1 km на запад. На какво разстояние (по права линия) е от началната точка?
⚓ Котва
Две въжета държат котва със сили по 10 N, които сключват ъгъл 60°. Колко е големината на общата сила?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
8. ⚠️ Чести грешки
Начало минус край
✗
✓
Дължината на сбора
✗
✓ само при еднопосочни вектори; иначе
Скаларното произведение е вектор
✗
✓ (число!)
Неверен ред на буквите
✗
✓ ;
Колинеарност по една координата
✗ и – колинеарни, защото
✓ не са колинеарни
Квадрат на сбор
✗
✓
9. 🎯 Бърз тест
На колко е равно ?
10. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
11. Обобщение
- ✓ Векторът има големина и посока; равни вектори – еднаква дължина и посока
- ✓ ; при успоредник сборът е диагоналът
- ✓ е колинеарен на ; всеки вектор се разлага по два неколинеарни:
- ✓ ; ; средата на :
- ✓ ;
- ✓ Разлагането се доказва с успоредник; координатите са коефициентите пред и ; скаларното произведение в координати – от косинусовата теорема
- ✓ :
💡 Интересен факт
Думата „вектор“ идва от латинското vehere – „нося, возя“; vector е „носител“. В математиката я въвежда ирландецът Уилям Роуън Хамилтън. На 16 октомври 1843 г., докато се разхожда покрай канал в Дъблин, той открива как да умножава „тримерни числа“ (кватерниони) и издълбава формулата в камъка на мост. Надписът отдавна не се вижда, но на моста днес има паметна плоча, а математици всяка година повтарят разходката му.