2: Вектори
Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:
- визначити вектор
- додавання і віднімання векторів,
- знайти лінійні комбінації векторів і їх зв'язок з сукупністю рівнянь,
- пояснити, що означає мати лінійно незалежний набір векторів, і
- знайти ранг набору векторів.
Що таке вектор?
Вектор - це сукупність чисел в певному порядку. Якщо це сукупністьn чисел, то її називаютьn -мірним вектором. Отже, вектор,→A заданий
→A=[a1a2⋮an]
n-вимірний вектор стовпця зn компонентами,a1,a2,......,an. Вище наведено вектор-стовпчик. Вектор рядка[B] має вигляд,→B=[b1,b2,....,bn] де→B єn -мірним рядковим вектором зn компонентамиb1,b2,....,bn.
Наведіть приклад тривимірного вектора стовпця.
Рішення
Припустимо, що точка в просторі задається її(x,y,z) координатами. Тоді якщо значенняx=3, y=2, z=5, то вектор стовпця, відповідний розташуванню точок
[xyz]=[325]
Коли два вектори рівні?
Два→B вектори→A і рівні, якщо вони однакової розмірності і якщо їх відповідні складові рівні.
Враховується
→A=[a1a2⋮an]
і
→B=[b1b2⋮bn]
то→A=→B якщоai=bi, i=1,2,......,n.
Які значення невідомих компонентів в→B if
→A=[2341]
і
→B=[b134b4]
і→A=→B.
Рішення
b1=2,b4=1
Як додати два вектори?
Два вектори можуть бути додані тільки в тому випадку, якщо вони мають однакову розмірність, а додавання задається
[A]+[B]=[a1a2⋮an]+[b1b2⋮bn]=[a1+b1a2+b2⋮an+bn]
Додайте два вектори
→A=[2341]
і
→B=[5−237]
Рішення
→A+→B=[2341]+[5−237]=[2+53−24+31+7]=[7178]
У магазині продаються три марки шин: Tirestone, Michigan і Copper. У 1 кварталі продажі задаються вектором стовпця
→A1=[2556]
де ряди представляють три марки проданих шин — Tirestone, Michigan і Copper відповідно. У 2 кварталі продажі подаються по
→A2=[20106]
Який загальний обсяг продажу кожної марки шин в першому півріччі?
Рішення
Загальний обсяг продажів буде надано
→C=→A1+→A2=[2556]+[20106]=[25+205+106+6]=[451512]
Так, кількість проданих шин Tirestone становить 45, Мічиган - 15, а Мідь - 12 в першому півріччі.
Що таке нульовий вектор?
Нульовий вектор (також званий нульовим вектором) - це місце, де всі компоненти вектора дорівнюють нулю.
Наведіть приклад нульового вектора або нульового вектора.
Рішення
Вектор
[0000]
є прикладом нульового або нульового вектора.
Що таке одиничний вектор?
Одиничний вектор→U визначається як
→U=[u1u2⋮un]
де
√u21+u22+u23+…+u2n=1
Наведіть приклади тривимірних одиничних векторів-стовпців.
Рішення
Приклади включають
[1√31√31√3],[100],[1√21√20],[010], etc.
Як помножити вектор на скаляр?
Якщоk є скалярним і→A єn -мірним вектором, то
k→A=k[a1a2⋮an]=[ka1ka2⋮kan]
Що таке,2→A якщо
→A=[25205]
Рішення
2→A=2[25205]=[2×252×202×5]=[504010]
У магазині продаються три марки шин: Tirestone, Michigan і Copper. У 1 кварталі продажі задаються вектором стовпця
→A=[25256]
Якщо мета полягає в тому, щоб збільшити продажі всіх шин мінімум на 25% в наступному кварталі, скільки кожної марки має бути продано?
Рішення
Оскільки мета полягає в тому, щоб збільшити продажі на 25%, можна було б помножити→A вектор на 1,25,
→B=1.25[25256]=[31.2531.257.5]
Так як кількість шин має бути цілим числом, можна сказати, що метою продажів є
→B=[32328]
Що ви маєте на увазі під лінійною комбінацією векторів?
Враховується
→A1,→A2,......,→Am
якm вектори однакової розмірностіn, аk1,k2,...,km якщо скаляри, то
k1→A1+k2→A2+.......+km→Am
являє собою лінійну комбінаціюm векторів.
Знайти лінійні комбінації
(а) →A−→B and
(б) →A+→B−3→C
де
→A=[236],→B=[112],→C=[1012]
Рішення
(a)\ почати {спліт}\\ overrightarrow {A} -\ переправа стрілка {B} &=\ почати {bmatrix} 2\\ 3\\ 6\\ кінець {bmatrix} -\ begin {bmatrix} 1\\ 2\\ кінець {bmatrix}\\\ =\ почати {bmatrix} 2 - 1\\ 3 - 1\\\\ кінець {bmatrix}\\\ кінець {bmatrix}\\ &=\ почати {bmatrix} 1\\ 2\\ 4\\ кінець {bmatrix}\ кінець {спліт}
(b)\ почати {спліт}\\ переправа стрілка {A} +\ переправа стрілка {B} - 3\ переправа стрілка {C} &=\ почати {bmatrix} 2\\ 3\\ 6\\ кінець {bmatrix} +\ почати {bmatrix} 1\\ 2\\ кінець {bmatrix} - 3\ begin {bmatrix} 10\\\ 1\\ 2\\\ кінець {bmatrix}\\ &=\ почати {bmatrix} 2 + 1 - 30\\ 3 + 1 - 3\ 6 + 2 - 6\\ кінець {bmatrix}\\ & ; =\ почати {bmatrix} - 27\\ 1\\ 2\\\ кінець {bmatrix}\ кінець {спліт}
Що ви маєте на увазі під лінійно незалежними векторами?
Безліч→A1,→A2,…,→Am векторів вважається лінійно незалежним, якщо
k1→A1+k2→A2+.......+km→Am=→0
має лише одне рішення
k1=k2=......=km=0
Три вектори
→A1=[2564144], →A2=[5812], →A3=[111]
лінійно незалежний?
Рішення
Написання лінійної комбінації трьох векторів
k1[2564144]+k2[5812]+k3[111]=[000]
дає
[25k1+5k2+k364k1+8k2+k3144k1+12k2+k3]=[000]
Наведені вище рівняння мають тільки одне рішення,k1=k2=k3=0. Однак як ми покажемо, що це єдине рішення? Це показано нижче.
Наведені вище рівняння є
25k1+5k2+k3=0(1)
64k1+8k2+k3=0(2)
144k1+12k2+k3=0(3)
Віднімання Ean (1) з Ean (2) дає
39k1+3k2=0
k2=−13k1(4)
Множення Eqn (1) на 8 і віднімання його з Eqn (2), який спочатку помножений на 5 дає
120k1−3k3=0
k3=40k1(5)
Пам'ятайте, що ми знайшли Ean (4) і Ean (5) тільки від Eans (1) і (2).
Заміна Eqn (4) і (5) в Eqn (3) дляk1 іk2 дає
144k1+12(−13k1)+40k1=0
28k1=0
k1=0
Це означає, щоk1 має бути нульовим, і з'єднаним з (4) і (5),k2 аk3 також нулем. Тож єдиним рішенням єk1=k2=k3=0. Отже, три вектори лінійно незалежні.
Три вектори
→A1=[125], →A2=[257], →A3=[61424]
лінійно незалежний?
Рішення
За допомогою інспекції,
→A3=2→A1+2→A2
або
−2→A1−2→A2+→A3=→0
Отже, лінійна комбінація
k1→A1+k2→A2+k3→A3=→0
має ненульове рішення
k1=−2, k2=−2, k3=1
Значить, набір векторів лінійно залежить.
Що робити, якщо я не можу довести інспекцією, що робити? Поставте лінійну комбінацію трьох векторів, рівних нульовому вектору,
k1[125]+k2[257]+k3[61424]=[000]
подарувати
k1+2k2+6k3=0(1)
2k1+5k2+14k3=0(2)
5k1+7k2+24k3=0(3)
Множення Eqn (1) на 2 та віднімання з Eqn (2) дає
k2+2k3=0
k2=−2k3(4)
Множення Eqn (1) на 2.5 та віднімання з Eqn (2) дає
−0.5k1−k3=0
k1=−2k3(5)
Пам'ятайте, що ми знайшли Ean (4) і Ean (5) тільки від Eans (1) і (2).
Замініть Eqn (4) і (5) на Eqn (3) дляk1 іk2 дає
5(−2k3)+7(−2k3)+24k3=0
−10k3−14k3+24k3=0
0=0
Це означає, що будь-які значення, що задовольняють Eqns (4) і (5) будуть задовольняти Eqns (1), (2) і (3) одночасно.
Наприклад, вибрав
k3=6, потім
k2=−12від Ean (4), а
k1=−12від Еана (5).
Звідси ми маємо нетривіальне рішення[k1k2k3]=[−12−126]. Це означає, що три задані вектори лінійно залежні. Чи можете ви знайти інше нетривіальне рішення?
А як щодо наступних трьох векторів?
[125],[257],[61425]
Вони лінійно залежні або лінійно незалежні?
Зауважте, що єдиною відмінністю цього набору векторів від попереднього є третій запис у третьому векторі. Отже, рівняння (4) та (5) залишаються дійсними. Який висновок ви робите, коли вставляєте рівняння (4) та (5) у третьому рівнянні:5k1+7k2+25k3=0? Що змінилося?
Три вектори
→A1=[256489], →A2=[5813], →A3=[112]
лінійно незалежний?
Рішення
Запис лінійної комбінації трьох векторів і прирівнювання до нульового вектора
k1[256489]+k2[5813]+k3[112]=[000]
дає
[25k1+5k2+k364k1+8k2+k389k1+13k2+2k3]=[000]
Крім тогоk1=k2=k3=0, можна знайти і інші рішення, дляk1, k2, k3 яких не рівні нулю. Наприклад,k1=1, k2=−13, k3=40 це також рішення, як
1[256489]−13[5813]+40[112]=[000]
Отже→A1, →A2, →A3, лінійно залежні.
Що ви маєте на увазі під рангом набору векторів?
З безлічіn -мірних векторів максимальна кількість лінійно незалежних векторів в множині називається рангом множини векторів. Зауважте, що ранг векторів ніколи не може бути більшим за розмірність векторів.
Що таке ранг
→A1=[2564144], →A2=[5812], →A3=[111]?
Рішення
Оскільки ми знайшли в прикладі 2.10,→A1, →A2, →A3 які лінійно незалежні, ранг множини векторів→A1, →A2, →A3 дорівнює 3. Якби нам дали інший вектор→A4, ранг множини векторів все одно становив→A1, →A2, →A3,→A4 би 3, оскільки ранг набору векторів завжди менше або дорівнює розмірності векторів і→A1, →A2, →A3 які принаймні лінійно незалежні.
Що таке ранг
→A1=[256489], →A2=[5813], →A3=[112]?
Рішення
У прикладі 2.12 ми виявили, що→A1, →A2, →A3 лінійно→A1, →A2, →A3 залежні, ранг, отже, не 3, а менше 3. Це 2? Давайте виберемо два з трьох векторів
→A1=[256489], →A2=[5813]
Лінійна комбінація→A1 і→A2 дорівнює нулю має лише одне рішення — тривіальне рішення. Тому ранг дорівнює 2.
Що таке ранг
→A1=[112], →A2=[224], →A3=[335]?
Рішення
З огляду,
→A2=2→A1,
що має на увазі
2→A1−→A2+0→A3=→0
Звідси
k1→A1+k2→A2+k3→A3=→0
має нетривіальне рішення.
Отже→A1, →A2, →A3, лінійно залежні, а отже, ранг трьох векторів не 3. Так як
→A2=2→A1,
→A1 and →A2лінійно залежні, але
k1→A1+k3→A3=→0.
має тривіальне рішення як єдине рішення. Так→A1 і→A3 є лінійно незалежними. Ранг перерахованих вище трьох векторів - 2.
Довести, що якщо набір векторів містить нульовий вектор, множина векторів лінійно залежить.
→A1,→A2,.........,→AmДозволяти набірn -мірних векторів, то
k1→A1+k2→A2+ … +km→Am=→0
лінійна комбінація m векторів. Тоді припускаючи,→A1 що нульовий або нульовий вектор, будь-яке значенняk1 пов'язаного зk2=k3= .. . =km=0 задовольнить вищевказане рівняння. Отже, множина векторів є лінійно залежною, оскільки існує більше одного розв'язку.
Довести, що якщо множина m векторів лінійно незалежна, то підмножина m векторів також повинна бути лінійно незалежною.
Нехай ця підмножина векторів буде
→Aa1,→Aa2,…,→Aap
деp<m.
Тоді, якщо ця підмножина векторів лінійно залежить, лінійна комбінація
k1→Aa1+k2→Aa2+…+kp→Aap=→0
має нетривіальне рішення.
Так
k1→Aa1+k2→Aa2+…+kp→Aap+0→Aa(p+1)+.......+0→Aam=→0
також має нетривіальне рішення теж, де→Aa(p+1),…,→Aam знаходяться інші(m−p) вектори. Однак це протиріччя. Тому підмножина лінійно незалежних векторів не може бути лінійно залежною.
Доведіть, що якщо набір векторів лінійно залежить, то принаймні один вектор може бути записаний як лінійна комбінація інших.
→A1,→A2,…,→AmДозволяти лінійно залежним множиною векторів, тоді існує набір скалярів
k1,…,kmне всі з яких дорівнюють нулю для лінійного комбінаційного рівняння
k1→A1+k2→A2+…+km→Am=→0.
kpДозволяти бути одним з ненульових значеньki, i=1,…,m, тобтоkp≠0, то
Ap=−k2kp→A2− … −kp−1kp→Ap−1−kp+1kp→Ap+1− … −kmkp→Am
і це доводить теорему.
Довести, що якщо розмірність множини векторів менше, ніж кількість векторів у множині, то множина векторів лінійно залежить.
Чи можете ви це довести?
Як можна використовувати вектори для запису одночасних лінійних рівнянь?
Якщо набірm одночасних лінійних рівнянь зn невідомими записується як
a11x1+ … +a1nxn=c1
a21x1+ … +a2nxn=c2
⋮⋮⋮⋮
am1x1+ … +amnxn=cn
де
x1,x2,…,xnє невідомими, то в векторних позначеннях їх можна записати як
x1→A1+x2→A2+…+xn→An=→C
де
→A1=[a11⋮am1]
де
→A1=[a11⋮am1]
→A2=[a12⋮am2]
→An=[a1n⋮amn]
→C1=[c1⋮cm]
Тепер проблема стає, чи можна знайти скаляриx1,x2,.....,xn такі, що лінійна комбінація
x1→A1+..........+xn→An
дорівнює тому→C, що
x1→A1+..........+xn→An=→C
Напишіть
25x1+5x2+x3=106.8
64x1+8x2+x3=177.2
144x1+12x2+x3=279.2
як лінійна комбінація множини векторів, рівних іншому вектору.
Рішення
[25x1+5x2+x364x1+8x2+x3144x1+12x2+x3]=[106.8177.2279.2]
x1[2564144]+x2[5812]+x3[111]=[106.8177.2279.2]
Яке визначення точкового добутку двох векторів?
→B=[b1,b2,…,bn]Дозволяти→A=[a1,a2,…,an] і бути двома n -мірними векторами. Потім крапковий добуток двох векторів→A і→B визначається як
→A⋅→B=a1b1+a2b2+…+anbn=n∑i=1aibi
Точковий твір ще називають внутрішнім твором.
Знайти точковий добуток двох векторів→A =[4,1,2,3] і→B =[3,1,7,2].
Рішення
→A⋅→B=[4,1,2,3] . [3,1,7,2]=(4)(3)+(1)(1)+(2)(7)+(3)(2)=33
Лінійка продуктів потребує трьох видів гуми, як зазначено в таблиці нижче.
Гумовий тип | Вага (фунти) | Вартість за фунт ($) |
---|---|---|
A Б C |
200 250 310 |
20.23 30.56 29.12 |
Використовуйте визначення точкового продукту, щоб знайти загальну ціну необхідної гуми.
Рішення
Вектор ваги задається
→W=[200,250,310]
а вектор вартості задається
→C=[20.23,30.56,29.12]
Загальна вартість гуми буде точковим добутком→W і→C.
→W⋅→C=[200,250,310]⋅[20.23,30.56,29.12]=(200)(20.23)+(250)(30.56)+(310)(29.12)=4046+7640+9027.2=$20713.20
Вектори Вікторина
Набір рівнянь
4x1+7x2+11x3=13
17x1+39x2+23x3=31
13x1+67x2+59x3=37
також можна записати як
(А)x1[41713]+x2[73923]+x3[112359]=[133137]
(Б)4[x1x2x3]+39[x1x2x3]+59[x1x2x3]=[133137]
(С)x1[4711]+x2[173923]+x3[136759]=[133137]
(D)x1[13174]+x2[67397]+x3[592311]=[571331]
Величина вектора,V=(5,−3,2) дорівнює
(А)4
(Б)10
(С)√38
(D)√20
ранг вектора
→A[237],[6921],[327]
є
(А)1
(Б)2
(С)3
(D)4
Якщо→A=(5,2,3) і→B=(6,−7,3), то4→A+5→B є
(А)(50,−5,6)
(Б)(50,−27,27)
(С)(11,−5,6)
(D)(20,8,12)
Точковий добуток двох векторів→A і→B
→A=3i+5j+7k
→B=11i+13j+17k
більшість майже є
(А)14.80
(Б)33.00
(С)56.00
(D)217.0
Кут в градусах між двома векторами→u і→v
→u=3i+5j+7k
→v=11i+13j+17k
більшість майже є
(А)8.124
(Б)11.47
(С)78.52
(D)81.88
Вектори вправи
Для
→A=[29−7],→B=[325],→C=[111]
знайти→A+→B і2→A−3→B+→C.
- Відповідь
-
[511−2];[−413−28]
Є
→A=[111],→B=[125],→C=[1425]
лінійно незалежний?.
Який ранг вищевказаного набору векторів?
- Відповідь
-
3
Додайте сюди текст вправ.
Є
→A=[111],→B=[125],→C=[357]
лінійно незалежний?.
Який ранг вищевказаного набору векторів?
- Відповідь
-
3
Є
→A=[125],→B=[2410],→C=[1.12.25.5]
лінійно незалежний?
Який ранг вищевказаного набору векторів?
- Відповідь
-
Ні; 1
Якщо набір векторів містить нульовий вектор, множина векторів лінійно
- Незалежний
- Залежний?
- Відповідь
-
Б
Якщо набір векторів лінійно незалежний, підмножина векторів лінійно
- Незалежний.
- Залежний.
- Відповідь
-
A
Якщо набір векторів лінійно залежний, то
- Принаймні один вектор можна записати як лінійну комбінацію інших.
- Принаймні один вектор є нульовим вектором.
- Відповідь
-
A
Якщо розмірність множини векторів менше кількості векторів у множині, то множина векторів лінійно
- Залежний.
- Незалежний.
- Відповідь
-
A
Знайти точковий добуток→A=(2,1,2.5,3) і→B=(−3,2,1,2.5)
- Відповідь
-
6
Якщо→u,→v,→w три ненульових вектора 2-вимірності, то
- →u,→v,→wлінійно незалежні
- →u,→v,→wлінійно залежні
- →u,→v,→wє одиничними векторами
- k1→u+k2→v+k3→v=→0має унікальне рішення.
- Відповідь
-
Б
→uі\overrightarrow{v} є двома ненульовими векторами розмірностіn. Доведіть, що якщо\overrightarrow{u} і\overrightarrow{v} лінійно залежні, існує скалярнийq такий, що\overrightarrow{v} = q\overrightarrow{u}.
- Відповідь
-
Підказка:
Почніть зk_{1}\overrightarrow{u} + k_{2}\overrightarrow{v} = \overrightarrow{0}
Покажіть, щоk_{1} \neq 0 іk_{2} \neq 0 тому\overrightarrow{v},\overrightarrow{u} і є ненульовими.
Звідси
\begin{split} \overrightarrow{\nu} &= - \frac{k_{1}}{k_{2}}\overrightarrow{u}\\ &=q\overrightarrow{u} \;\;\;\;\;\;\;\ q=- \frac{k_{1}}{k_{2}} \end{split}
\overrightarrow{u}і\overrightarrow{v} є двома ненульовими векторами розмірностіn. Доведіть, що якщо є скалярнийq такий\overrightarrow{v} = q\overrightarrow{u}, що, то\overrightarrow{u} і\overrightarrow{v} лінійно залежать.
- Відповідь
-
Підказка:
Так як
\begin{matrix} \overrightarrow{v} = q\overrightarrow{u} \\ \overrightarrow{v} - q\overrightarrow{u} = \overrightarrow{0} \\ \end{matrix}
q \neq 0, інакше\overrightarrow{v} = \overrightarrow{0}
Отже, рівняння
k_{1}\overrightarrow{v} + k_{2}\overrightarrow{u} = \overrightarrow{0}\notag
має нетривіальне рішення
k_{1} = 1,k_{2} = q \neq 0.\notag