Направляющие косинусы. Формула вычисления направляющих косинусов вектора для пространственных задач Найти длину и направляющие косинусы вектора

Пусть дан вектор (х , у , z ).

Обозначим углы наклона этого вектора к осям Ох, Оу иOz соответственно буквами ,и. Три числа cos , cos и cos принято называть направляющими косинусами вектора . Полагая= (1; 0; 0 ) получаем из (9)

Аналогично

Из формул (11) - (13) следует:

1) сos 2 + cos 2 + cos 2 = 1 ,

т.е. сумма квадратов направляющих косинусов любого ненулевого вектора равна единице ;

т.е. направляющие косинусы этого вектора пропорциональны его соответствующим проекциям.

Примечание. Из формул (11)-(13) видно, что проекции любого единичного вектора на оси координат соответственно совпадают с его направляющими косинусами и, следовательно,

Пример. Найти направляющие косинусы вектора (1; 2; 2). По формулам (11)-(13) имеем

4. Векторное произведение двух векторов и его основные свойства.

Определение. Векторным произведением двух векторов и называется новый вектор, модуль которого равен площади параллелограмма, построенного на векторахи, приведенных к общему началу, и который перпендикулярен к перемножаемым векторам (иначе говоря, перпендикулярен к плоскости построенного на них параллелограмма) и направлен в такую сторону, чтобы кратчайший поворот отквокруг полученного векторапредставлялся происходящим против часовой стрелки, если смотреть из конца вектора(рис. 40).

Если векторы иколлинеарны, то их векторное произведение считается равным нулевому вектору. Из этого определения следует, что

|| = || || sin,

где - угол между векторамии(0 ). Векторное произведение векторовиобозначается символом

х или или [,].

Выясним физический смысл векторного произведения. Если вектор изображает приложенную в некоторой точкеМ с илу, а векторидет из некоторой точкиО в точкуМ, то вектор= представляет собой момент силыотносительно точкиО.

Свойства векторного произведения

1 . При перестановке сомножителей векторное произведение меняет знак, т.е.

х = -(x).

()х=х()=(х), где- скаляр.

3. Векторное произведение подчиняется распределительному закону, т.е.

4. Если векторное произведение двух векторов равно нулевому вектору, то либо равен нулевому вектору хотя бы один из перемножаемых векторов (тривиальный случай), либо равен нулю синус угла между ними, т.е. векторы коллинеарны.

Обратно, если два ненулевых вектора коллинеарны, то их векторное произведение равно нулевому вектору.

Таким образом, для того чтобы два ненулевых вектора ибыли коллинеарны, необходимо и достаточно, чтобы их векторное произведение равнялось нулевому вектору.

Отсюда, в частности, следует, что векторное произведение вектора на самого себя равно нулевому вектору:

х = 0

(х еще называют векторным квадратом вектора .

5. Смешанное произведение трех векторов и его основные свойства.

Пусть даны три вектора ,и. Представим себе, что векторумножается векторно наи полученный векторхумножается скалярно на вектор, тем самым определяется число (х). Оно называется илисмешанным произведением трех векторов,и.

Для краткости смешанное произведение (х)будем обозначатьили ().

Выясним геометрический смысл смешанного произведения . Пусть рассматриваемые векторыинекомпланарны. Построим параллелепипед на векторах,икак на ребрах.

Векторное произведение xесть вектор(=), численно равный площади параллелограммаOADB (основание построенного параллелепипеда), построенного на векторахии направленный перпендикулярно к плоскости параллелограмма (рис. 41).

Скалярное произведение (x)=есть произведение модуля вектораи проекции векторана(см. п. 1, (2)).

Высота построенного параллелепипеда есть абсолютная величина этой проекции.

Следовательно, произведение | |по абсолютной величине равно произведению площади основания параллелепипеда на его высоту, т.е. объему параллелепипеда, построенного на векторах, и.

При этом важно отметить, что скалярное произведение дает объем параллелепипеда иногда с положительным, а иногда с отрицательным знаком. Положительный знак получается, если угол между векторамииострый; отрицательный - если тупой. При остром угле междуивекторрасположен по ту же сторону плоскостиOADB , что и вектор и, следовательно, из конца векторавращение откбудет видно так же, как и из конца вектора, т.е. в положительном направлении (против часовой стрелки).

При тупом угле между векторрасположен по другую сторону плоскостиOADB , чем вектор, и, следовательно, из конца векторавращение откбудет видно в отрицательном направлении (по часовой стрелке). Иными словами, произведениеположительно, если векторы,иобразуют систему, одноименную с основной Oxyz (взаимно расположены так же, как оси Ox, Oy, Oz), и оно отрицательно, если векторы,образуют систему, разноименную с основной.

Таким образом, смешанное произведение есть число ,абсолютная величина которого выражает объем параллелепипеда ,построенного на векторах ,как на ребрах .

Знак произведения положителен, если векторы ,,образуют систему, одноименную с основной, и отрицателен в противном.

Отсюда следует, что абсолютная величина произведения =(х)останется той же, в каком бы порядке мы ни брали сомножители,,. Что касается знака, то он будет в одних случаях положительным, в других - отрицательным; это зависит от того, образуют ли наши три вектора, взятые в определенном порядке, систему, одноименную с основной, или нет. Заметим, что у нас оси координат расположены так, что они следуют одна за другой против часовой стрелки, если смотреть во внутреннюю часть (рис. 42). Порядок следования не нарушается, если мы начнем обход со второй оси или с третьей, лишь бы он совершался в том же направлении, т.е. против часовой стрелки. При этом множители переставляются в круговом порядке (циклически). Таким образом, получаем следующее свойство:

Смешанное произведение не меняется при круговой (циклической) перестановке его сомножителей. Перестановка двух соседних сомножителей меняет знак произведения

= ==-()=-()=-().

Наконец, из геометрического смысла смешанного произведения непосредственно следует следующее утверждение.

Необходимым и достаточным условием компланарности векторов ,,является равенство нулю их смешанного произведения:

Опр. 1.5.6. Направляющими косинусами вектора а назовём косинусы тех углов , которые этот вектор образует с базисными векторами, соответственно, i , j , k .

Направляющие косинусы вектора а = (х , у , z ) находятся по формулам:

Сумма квадратов направляющих косинусов равна единице:

Направляющие косинусы вектора a являются координатами его орта: .

Пусть базисные орты i , j , k отложены из общей точки О . Будем считать, что орты задают положительные направления осей Ох , Оу , Oz . Совокупность точки О (начала координат ) и ортонормированного базиса i , j , k называется декартовой прямоугольной системой координат в пространстве . Пусть А – произвольная точка пространства. Вектор а = ОА = xi + yj + zk называется радиусом-вектором точки А , координаты этого вектора (x , y , z ) называются также координатами точки А (обозначение: А (x , y , z )). Оси координат Ох , Оу , Oz называют также, соответственно, осью абсцисс , осью ординат , осью аппликат .

Если вектор задан координатами своей начальной точки В 1 (x 1 , y 1 , z 1) и конечной точки В 2 (x 2 , y 2 , z 2), то координаты вектора равны разности координат конца и начала: (так как ).

Декартовы прямоугольные системы координат на плоскости и на прямой определяются совершенно аналогично с соответствующими количественными (в соответствии с размерностью) изменениями.

Решение типовых задач.

Пример 1. Найти длину и направляющие косинусы вектора а = 6i – 2j -3k .

Решение. Длину вектора: . Направляющие косинусы: .

Пример 2. Найти координаты вектора а , образующего с координатными осями равные острые углы, если длина этого вектора равна .

Решение. Так как , то подставляя в формулу (1.6), получим . Вектор а образует с координатными осями острые углы, поэтому орт . Следовательно, находим координаты вектора .

Пример 3. Заданы три некомпланарных вектора e 1 = 2i – k , e 2 = 3i + 3j , e 3 = 2i + 3k . Разложить вектор d = i + 5j - 2k по базису e 1 , e 2 , e 3 .

Свойство:

cos 2 α + cos 2 β + cos 2 γ = 1

б) определение линейных операций

суммой двух неколлинеарных векторов и называется вектор, идущий из общего начала векторов по диагонали параллелограмма, построенного на этих векторах

Разностью векторов и называется сумма вектора и вектора, противоположного вектору : . Соединим начала векторов и , тогда вектор направлен из конца вектора в конец вектора .

Произведением вектора на число называется вектор с модулем , причем при и при . Геометрически умножение на число означает "растяжение" вектора в раз с сохранением направления при и изменением на противоположное при .

Из приведенных выше правил сложения векторов и умножения их на число следуют очевидные утверждения:

1. (сложение коммутативно);

2. (сложение ассоциативно);

3. (существование нулевого вектора);

4. (существование противоположного вектора);

5. (сложение ассоциативно);

6. (умножение на число дистрибутивно);

7. (сложение векторов дистрибутивно);

в) скалярное произведение и его основные свойства

Скалярным произведением двух ненулевых векторов называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Если хотя бы один из двух векторов нулевой, то угол между ними не определён, а скалярное произведение считается равным нулю. Скалярное произведение векторов и обозначается

, где и - длины векторов и соответственно, а - угол между векторами и .

Скалярное произведение вектора самого на себя называется скалярным квадратам.

Свойства скалярного произведения.

Для любых векторов и справедливы следующие свойства скалярного произведения :

свойство коммутативности скалярного произведения ;

свойство дистрибутивности или ;

сочетательное свойство или , где - произвольное действительное число;

скалярный квадрат вектора всегда не отрицателен , причем тогда и только тогда, когда вектор нулевой.

Г)векторное произведение и его свойства

векторным произведением вектора a на вектор b называется вектор c, длина которого численно равна площади параллелограмма построенного на векторах a и b, перпендикулярный к плоскости этих векторов и направленный так, чтоб наименьшее вращение от a к b вокруг вектора c осуществлялось против часовой стрелки, если смотреть с конца вектора c

Формулы вычисления векторного произведения векторов

Векторное произведение двух векторов a = {a x ; a y ; a z } и b = {b x ; b y ; b z } в декартовой системе координат - это вектор, значение которого можно вычислить, используя следующие формулы:

• Векторное произведения двух не нулевых векторов a и b равно нулю тогда и только тогда, когда вектора коллинеарны.
• Вектор c, равный векторному произведению не нулевых векторов a и b, перпендикулярен этим векторам.
• a × b = -b × a
• (k a) × b = a × (k b) = k (a × b)
• (a + b) × c = a × c + b × c

Уравнение прямой на плоскости

А)уравнение прямой с угловым коэффициентом

Угловым коэффициентом прямой называется тангенс угла наклона этой прямой.

Угловой коэффициент прямой обычно обозначают буквой k . Тогда по определению .

Если прямая параллельна оси ординат, то угловой коэффициент не существует (в этом случае также говорят, что угловой коэффициент обращается в бесконечность).

Положительный угловой коэффициент прямой указывает на возрастание ее графика функции, отрицательный угловой коэффициент – на убывание. Уравнение прямой с угловым коэффициентом имеет вид формула y=kx+b, где k - угловой коэффициент прямой, b – некоторое действительное число. Уравнением прямой с угловым коэффициентом можно задать любую прямую, не параллельную оси Oy (для прямой параллельно оси ординат угловой коэффициент не определен).

Б)виды уравнений прямой

Уравнение называется общим уравнением прямой на плоскости.

Всякое уравнение первой степени с двумя переменными x и y вида , где А , В и С – некоторые действительные числа, причем А и В одновременно не равны нулю, задает прямую линию в прямоугольной системе координат Oxy на плоскости, и всякая прямая на плоскости задается уравнением вида .

Уравнение прямой вида , где a и b – некоторые действительные числа отличные от нуля, называется уравнением прямой в отрезках . Это название не случайно, так как абсолютные величины чисел а и b равны длинам отрезков, которые прямая отсекает на координатных осях Ox и Oy соответственно (отрезки отсчитываются от начала координат).

Уравнение прямой вида , где x и y - переменные, а k и b – некоторые действительные числа, называется уравнением прямой с угловым коэффициентом (k – угловой коэффициент)

Каноническое уравнение прямой на плоскости в прямоугольной декартовой системе координат Oxy имеет вид , где и – некоторые действительные числа, причем и одновременно не равны нулю.

Очевидно, что прямая линия, определяемая каноническим уравнением прямой, проходит через точку . В свою очередь числа и , стоящие в знаменателях дробей, представляют собой координаты направляющего вектора этой прямой. Таким образом, каноническое уравнение прямой в прямоугольной системе координат Oxy на плоскости соответствует прямой, проходящей через точку и имеющей направляющий вектор .

Параметрические уравнения прямой на плоскости имеют вид , где и – некоторые действительные числа, причем и одновременно не равны нулю, а - параметр, принимающий любые действительные значения.

Параметрические уравнения прямой устанавливают неявную зависимость между абсциссами и ординатами точек прямой линии с помощью параметра (отсюда и название этого вида уравнений прямой).

Пара чисел , которые вычисляются по параметрическим уравнениям прямой при некотором действительном значении параметра , представляет собой координаты некоторой точки прямой. К примеру, при имеем , то есть, точка с координатами лежит на прямой.

Следует отметить, что коэффициенты и при параметре в параметрических уравнениях прямой являются координатами направляющего вектора этой прямой

Уравнение прямой, проходящей через две точки

Пусть в пространстве заданы две точки M 1 (x 1 , y 1 , z 1) и M 2 (x 2 , y 2 , z 2), тогда уравнение прямой, проходящей через эти точки:

Если какой-либо из знаменателей равен нулю, следует приравнять нулю соответствующий числитель.На плоскости записанное выше уравнение прямой упрощается:

если х 1 ≠ х 2 и х = х 1 , если х 1 = х 2 .

Дробь = k называется угловым коэффициентом прямой.

В) вычисление угла между двумя прямыми

если заданы две прямые y = k 1 x + b 1 , y = k 2 x + b 2 , то острый угол между этими прямыми будет определяться как

.

Две прямые параллельны, если k 1 = k 2 . Две прямые перпендикулярны, если k 1 = -1/ k 2 .

Теорема. Прямые Ах + Ву + С = 0 и А 1 х + В 1 у + С 1 = 0 параллельны, когда пропорциональны коэффициенты А 1 = λА, В 1 = λВ. Если еще и С 1 = λС, то прямые совпадают. Координаты точки пересечения двух прямых находятся как решение системы уравнений этих прямых.

Г)условия параллельности и перпендикулярности двух прямых

Условия параллельности двух прямых:

а) Если прямые заданы уравнениями с угловым коэффициентом, то необходимое и достаточное условие их параллельности состоит в равенстве их угловых коэффициентов:

k 1 = k 2 .

б) Для случая, когда прямые заданы уравнениями в общем виде (6), необходимое и достаточное условие их параллельности состоит в том, что коэффициенты при соответствующих текущих координатах в их уравнениях пропорциональны, т. е.

Условия перпендикулярности двух прямых:

а) В случае, когда прямые заданы уравнениями (4) с угловым коэффициентом, необходимое и достаточное условие их перпендикулярности заключается в том, что их угловые коэффициенты обратны по величине и противоположны по знаку, т. е.

Это условие может быть записано также в виде

k 1 k 2 = -1.

б) Если уравнения прямых заданы в общем виде (6), то условие их перпендикулярности (необходимое и достаточное) заключается в выполнении равенства

A 1 A 2 + B 1 B 2 = 0.

Предел функции

А) предел последовательности

Понятие предела использовалось ещё Ньютоном во второй половине XVII века и математиками XVIII века, такими как Эйлер и Лагранж, однако они понимали предел интуитивно. Первые строгие определения предела последовательности дали Больцано в 1816 году и Коши в 1821 году.

Число называется пределом числовой последовательности , если последовательность является бесконечно малой, т. е. все её элементы, начиная с некоторого, по модулю меньше любого заранее взятого положительного числа.

В случае, если у числовой последовательности существует предел в виде вещественного числа , её называют сходящейся к этому числу. В противном случае, последовательность называют расходящейся . Если к тому же она неограниченна, то её предел полагают равным бесконечности.

Кроме того, если все элементы неограниченной последовательности, начиная с некоторого номера, имеют положительный знак, то говорят, что предел такой последовательности равен плюс бесконечности .

Если же элементы неограниченной последовательности, начиная с некоторого номера, имеют отрицательный знак, то говорят, что предел такой последовательности равен минус бесконечности .

Б) предел функции

Преде́л фу́нкции (предельное значение функции ) в заданной точке, предельной для области определения функции, - такая величина, к которой стремится значение рассматриваемой функции при стремлении её аргумента к данной точке.

Предел функции является обобщением понятия предела последовательности: изначально под пределом функции в точке понимали предел последовательности элементов области значений функции, составленной из образов точек последовательности элементов области определения функции, сходящейся к заданной точке (предел в которой рассматривается); если такой предел существует, то говорят, что функция сходится к указанному значению; если такого предела не существует, то говорят, что функция расходится.

Предел фу́нкции - одно из основных понятий математического анализа. Значение называется пределом (предельным значением ) функции в точке , если для любой последовательности точек , сходящейся к , но не содержащей в качестве одного из своих элементов (то есть в проколотой окрестности ), последовательность значений функции сходится к .

Значение называется пределом (предельным значением ) функции в точке , если для любого наперёд взятого положительного числа найдётся отвечающее ему положительное число такое, что для всех аргументов , удовлетворяющих условию , выполняется неравенство .

В) два замечательных предела

· Первый замечательный предел:

Следствия

·

·

·

· Второй замечательный предел:

Следствия

1.

2.

3.

4.

5. для ,

6.

Г) бесконечно малые и бесконечно большие функции

Функция y=f(x) называется бесконечно малой при x→a или при x →∞, если или , т.е. бесконечно малая функция – это функция, предел которой в данной точке равен нулю.

если функция y=f(x) представима при x→a в виде суммы постоянного числа b и бесконечно малой величины α(x): f (x)=b+ α(x) то .

Обратно, если , то f (x)=b+α(x) , где a(x) – бесконечно малая при x→a.

Следствие 1. Если и , то .

Следствие 2. Если и c= const, то .

Если функция f(x) является бесконечно большой при x→a , то функция 1/f(x) является бесконечно малой при x→a .

Если функция f(x) - бесконечно малая при x→a (или x→∞) и не обращается в нуль, то y= 1/f(x) является бесконечно большой функцией. простейшие свойства бесконечно малых и бесконечно больших функций можно записать с помощью следующих условных соотношений: A ≠ 0

Д) раскрытие неопределенностей. Правило Лопиталя

основные виды неопределенностей : ноль делить на ноль (0 на 0 ), бесконечность делить на бесконечность , ноль умножить на бесконечность , бесконечность минус бесконечность , единица в степени бесконечность , ноль в степени ноль , бесконечность в степени ноль .

Правило Лопиталя очень широко применяется для вычисления пределов , когда имеет место неопределенность вида ноль делить на ноль , бесконечность делить на бесконечность .

К этим видам неопределенностей сводятся неопределенности ноль умножить на бесконечность и бесконечность минус бесконечновть

Если , и если функции f(x) и g(x) – дифференцируемы в окрестности точки , то

В случае, когда неопределенность не исчезает после применения правила Лопиталя, то его можно применять вновь.

Вычисление производных

А)правило дифференцирования сложной функции

Пусть является сложной функцией , где функция – промежуточный аргумент. Покажем, как найти производную сложной функции, зная производную для функции (её будем обозначать через ) и производную для функции .

Теорема 1 . Если функция имеет производную в точке x , а функция имеет производную в точке (), то сложная функция в точке x имеет производную , причем = .

Иначе, производная сложной функции равна произведению производной данной функции по промежуточному аргументу на производную промежуточного аргумента.

Б) дифференцирование функции, заданной параметрически

Пусть функция задана в параметрической форме, то есть в виде:

где функции и определены и непрерывны на некотором интервале изменения параметра . Найдем дифференциалы от правых и левых частей каждого из равенств:

Для нахождения второй производной выполним следующие преобразования:

В) понятие логарифмической производной функции

Логарифмической производной положительной функции называется производная . Так как , то по правилу дифференцирования сложной функции получим следующее соотношение для логарифмической производной:

.

С помощью логарифмической производной удобно вычислять обычную производную в тех случаях, когда логарифмирование упрощает вид функции.

Суть такого дифференцирования заключается в следующем: вначале находится логарифм заданной функции, а уже затем вычисляется от него производная. Пусть задана некоторая функция . Прологарифмируем левую и правую части данного выражения:

А тогда, выражая искомую производную , в результате имеем:

Г) производная обратной функции

Если y=f(x) и x=g(y) - пара взаимно обратных функций, и функция y=f(x) имеет производную f"(x), то производная обратной функции g"(x)=1/f"(x).

Таким образом, производные взаимно обратных функций - обратные величины. Формула для производной обратной функции:

Д) производная неявной функции

Если функция одной переменной описывается уравнением y =f (x ), где переменная y находится в левой части, а правая часть зависит только от аргумента x , то говорят, что функция задана в явном виде . Например, следующие функции заданы явно:

y =sinx ,y =x 2+2x +5,y =lncosx .

Во многих задачах, однако, функция может быть задана неявным образом , т.е. в виде уравнения

F (x ,y )=0.

для нахождения производной y ′(x ) неявно заданной функции нет необходимости преобразовывать ее в явную форму. Для этого, зная уравнение F (x ,y )=0, достаточно выполнить следующие действия:

Сначала необходимо продифференцировать обе части уравнения по переменной x , предполагая, что y − это дифференцируемая функция x и используя правило вычисления производной от сложной функции. При этом производная нуля (в правой части) также будет равна нулю.
Замечание : Если правая часть отлична от нуля, т.е. неявное уравнение имеет вид

f (x ,y )=g (x ,y ),

то дифференцируем левую и правую части уравнения.

Решить полученное уравнение относительно производной y ′(x ).

Понятие производной

А) определение производной

Производная функции дифференцированием интегрированием .

y x x

Определение производной

Рассмотрим функцию f (x x 0. Тогда функция f (x ) является дифференцируемой в точке x 0, и ее производная определяется формулой

f ′(x 0)=limΔx →0Δy Δx =limΔx →0f (x 0+Δx )−f (x 0)Δx .

Производная функции − одно из основных понятий математики, а в математическом анализе производная наряду с интегралом занимает центральное место. Процесс нахождения производной называетсядифференцированием . Обратная операция − восстановление функции по известной производной − называется интегрированием .

Производная функции в некоторой точке характеризует скорость изменения функции в этой точке. Оценку скорости изменения можно получить, вычислив отношение изменения функции Δy к соответствующему изменению аргумента Δx . В определении производной такое отношение рассматривается в пределе при условии Δx →0. Перейдем к более строгой формулировке:

Определение производной

Рассмотрим функцию f (x ), область определения которой содержит некоторый открытый интервал вокруг точки x 0. Тогда функция f (x ) является дифференцируемой в точке x 0, и ее производная определяется формулой

f ′(x 0)=limΔx →0Δy Δx =limΔx →0f (x 0+Δx )−f (x 0)Δx .

Б) геометрический смысл производной

Производная функции , вычисленная при заданном значении , равна тангенсу угла, образованного положительным направлением оси и положительным направлением касательной, проведенной к графику этой функции в точке с абсциссой :

Если функция имеет конечную производную в точке то в окрестности её можно приблизить линейной функцией

Функция называется касательной к в точке Число.

Г) таблица производных простейших элементарных функций

Направляющие косинусы вектора.

Направляющие косинусы вектора a – это косинусы углов, которые вектор образует с положительными полуосями координат.

Чтобы найти направляющие косинусы вектора a необходимо соответствующие координаты вектора поделить на модуль вектора.

Свойство: Сумма квадратов направляющих косинусов равна единице.

Так в случае плоской задачи направляющие косинусы вектора a = {ax; ay} находятся по формулам:

Пример вычисления направляющих косинусов вектора:

Найти направляющие косинусы вектора a = {3; 4}.

Решение: |a| =

Так в случае пространственной задачи направляющие косинусы вектора a = {ax; ay; az} находятся по формулам:

Пример вычисления направляющих косинусов вектора

Найти направляющие косинусы вектора a = {2; 4; 4}.

Решение: |a| =

Направление вектора в пространстве определяется углами , которые вектор образует с осями координат (рис. 12). Косинусы этих углов называются направляющими косинусами вектора : , , . Из свойств проекций:, , . Следовательно, Легко показать, что 2) координаты любого единичного вектора совпадают с его направляющими косинусами: .

"Как найти направляющие косинусы вектора"

Обозначьте через альфа, бета и гамма углы, образованные вектором а с положительным направлением координатных осей (см. рис.1). Косинусы этих углов называются направляющими косинусами вектора а.

Так как координаты а в декартовой прямоугольной системе координат равны проекциям вектора на координатные оси, то а1 = |a|cos(альфа), a2 = |a|cos(бета), a3 = |a|cos(гамма). Отсюда: cos (альфа)=a1||a|, cos(бета) =a2||a|, cos(гамма)= a3/|a|. При этом |a|=sqrt(a1^2+ a2^2+ a3^2). Значит cos (альфа)=a1|sqrt(a1^2+ a2^2+ a3^2), cos(бета) =a2|sqrt(a1^2+ a2^2+ a3^2), cos(гамма)= a3/sqrt(a1^2+ a2^2+ a3^2).

Следует отметить основное свойство направляющих косинусов. Сумма квадратов направляющих косинусов вектора равна единице. Действительно, cos^2(альфа)+cos^2(бета)+cos^2(гамма)= = a1^2|(a1^2+ a2^2+ a3^2)+ a2^2|(a1^2+ a2^2+ a3^2)+ a3^2/(a1^2+ a2^2+ a3^2) = =(a1^2+ a2^2+ a3^2)|(a1^2+ a2^2+ a3^2) = 1.

Первый способ

Пример: дано: вектор а={1, 3, 5). Найти его направляющие косинусы. Решение. В соответствии с найденным выпишем: |а|= sqrt(ax^2+ ay^2+ az^2)=sqrt(1+9 +25)=sqrt(35)=5,91. Таким образом, ответ можно записать в следующей форме: {cos(альфа), cos(бета), cos(гамма)}={1/sqrt(35), 3/sqrt (35), 5/(35)}={0,16;0,5;0,84}.

Второй способ

При нахождении направляющих косинусов вектора а, можно использовать методику определения косинусов углов с помощью скалярного произведения. В данном случае в виду имеются углы между а и направляющими единичными векторами прямоугольных декартовых координат i, j и k. Их координаты {1, 0, 0}, {0, 1, 0}, {0, 0, 1}, соответственно. Следует напомнить, что скалярное произведение векторов определяется так.

Если угол между векторами ф, то скалярное произведение двух ветров (по определению) – это число, равное произведению модулей векторов на cosф. (a, b) = |a||b|cos ф. Тогда, если b=i, то (a, i) = |a||i|cos(альфа), или a1 = |a|cos(альфа). Далее все действия выполняются аналогично способу 1, с учетом координат j и k.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вектором называется упорядоченная пара точек и (то есть точно известно, какая из точек в этой паре первая).

Первая точка называется началом вектора , а вторая – его концом .

Расстояние между началом и концом вектора называется длиной или модулем вектора .

Вектор, начало и конец которого совпадают, называется нулевым и обозначается ; его длина считается равной нулю. В противном случае, если длина вектора положительна, то его называют ненулевым .

Замечание . Если длина вектора равна единице, то он называется ортом или единичным вектором и обозначается .

ПРИМЕР

Задание	Проверить, является ли вектор единичным.
Решение	Вычислим длину заданного вектора, она равна корню квадратному из суммы квадратов координат: Поскольку длина вектора равна единице, значит, вектор является ортом.
Ответ	Вектор единичный.

Ненулевой вектор также можно определить как направленный отрезок.

Замечание . Направление нулевого вектора не определено.

Направляющие косинусы вектора

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Направляющими косинусами некоторого вектора называются косинусы углов, которые вектор образует с положительными направлениями координатных осей.

Замечание . Однозначно направление вектора задают его направляющие косинусы.

Чтобы найти направляющие косинусы вектора необходимо вектор нормировать (то есть вектор поделить на его длину):

Замечание . Координаты единичного вектора равны его направляющим косинусам.

ТЕОРЕМА

(Свойство направляющих косинусов). Сумма квадратов направляющих косинусов равна единице: