3 Vektorin kertominen reaaliluvulla

Transkriptio

1 3 Vektorin kertominen reaaliluvulla Summalla a + a + a tarkoitetaan lausekkeessa esiintyvän vektorin a kanssa samansuuntaista, mutta pituudeltaan tähän nähden kolminkertaista vektoria. Tätä summaa on tarkoituksenmukaista merkitä polynomilaskennasta saatavan mallin mukaisesti a + a + a = 3a ja tätä tuloa voidaan pitää reaaliluvun 3 ja vektorin a tulona. Vastaavasti vektorilla a tarkoitetaan summaa ( a) + ( a ), mikä puolestaan on vektorin a kanssa vastakkaissuuntainen, mutta pituudeltaan tähän verrattuna kaksinkertainen vektori. ******************************************************************* MÄÄRITELMÄ 5 Reaaliluvun r ja vektorin a tulo on vektori, jolle o 1 ra = r a o ra a, jos r > 0 ra a, jos r < 0 ra = 0, jos r = 0 ******************************************************************* Näin määriteltyä tuloa koskee seuraava ******************************************************************* Lause Olkoot r ja s mielivaltaisia reaalilukuja sekä a ja b mielivaltaisia vektoreita. Tällöin o 1 r( sa) = ( rs) a = s( ra) o ( r + s) a = ra + sa o 3 r( a + b) = ra + rb Tod.: sivuutetaan, vaikka ei ole kovin vaikea. *******************************************************************

2 Esitetyn lauseen oleellinen sisältö on se, että vektoreiden lineaarisia (=ensiasteisia) lausekkeita ja yhtälöitä voidaan käsitellä aivan kuin ensiasteen polynomeja tai ensiasteen yhtälöitä. Esim. 1 Kuvan kolmiossa OAB on OA = a ja OB = b. Lisäksi C on sivun OA keskipiste ja D sivun OB keskipiste. Lausu CD vektoreiden a ja b avulla. B D A C O Koska C on sivun OA keskipiste, niin OC = CA, tai yhtä hyvin voidaan 1 1 kirjoittaa OC = CA ja OC = OA = ½a. Vastaavasti OD = OB = ½b b a Lisäksi on voimassa vektoriyhtälö CD = CO + OD = ½a + ½b =. Tähän mennessä kirjoitetussa tekstissä on tehty kaikki se, mitä tehtävänannossa pyydettiin. Voidaan mennä hitusen pitemmällekin. Kolmiosta OAB saadaan nimittäin yhtälö AB = AO + OB = a + b = b a. Kun b a tämä yhtälö yhdistetään yhtälöön CD =, niin määritelmän 5.5 b a AB tuella voitaisiin väittää, että CD = =. Tällainen vektorilausekkeiden muokkaus on tuottanut tulokseksi geometrisen tosiasian:

3 ************************************************************* Mielivaltaisessa kolmiossa kahden sivun keskipisteiden yhdistysjana on kolmannen sivun suuntainen ja pituudeltaan puolet tästä. ************************************************************* u v = 7a Esim. Ratkaise u ja v yhtälöparista u + 3v = 7b u v = 7a 6u 3v = 1a u + 3v = 7b u + 3v = 7b 7u = 1a + 7b josta saadaan puolittain jakamalla luvulla 7 : u = 3 a + b Sijoitetaanpas tämä vaikka alempaan yhtälöön, niin saadaan 3a + b + 3v = 7b 3v = 3a b + 7b 3v = 3a + 6b v = a + b. Vastaus : u = 3a + b v = a + b Aiemmin on jo määritelty yksikkövektori ja todettu, että vektorin a suuntaista yksikkövektoria merkitään â, mutta käytetään myös merkintää a o. Tässä kurssissa käytetään hattu-merkintää. Tämä vektori on siis pituudeltaan yksi (koordinaatiston) pituusyksikkö, esimerkiksi matka origosta pisteeseen (0,1) ja se on samansuuntainen kuin a. On ilmeistä, että jos vektorin kertoo ykköstä suuremmalla luvulla, saadaan alkuperäistä pitempi, mutta alkuperäisen kanssa samansuuntainen vektori. Jos kertoja taas toteuttaa ehdon 0 < r < 1, saadaan kerrottavaa lyhempi vektori, jonka suunta on sama kuin kerrottavan. Vektoria a on kaiketi kerrottava jollakin luvulla x, joka pyritään selvittämään. ON siis voimassa vektoriyhtälö x a = â.

4 Yhtälön kummallakin puolen on nyt vektori, jonka pituus on yksi, joten on 1 voimassa xa = 1 x a = 1( koska x > 0) x = elikkä a â = a a eli sanallisesti ilmaisten: vektorin suuntainen yksikkövektori muodostetaan jakamalla vektori pituudellaan. Vektorin ja reaaliluvun tuloa koskevan määritelmän nojalla on ilmeistä, että kaksi vektoria a ja b ovat yhdensuuntaiset täsmälleen silloin, kun on olemassa reaaliluku t siten, että a = tb. Esim. 3 Jossakin laskutehtävässä päädytään vektoriyhtälöön AB = 3½ CD. Saadusta yhtälöstä voidaan heti päätellä ensiksikin se, että AB CD ja toisekseen, että yhtälön vasemmalla puolella oleva suuntajana on 3½ kertaa niin pitkä, kuin oikealla puolella oleva. Esimerkissä 5.6 saatiin kolmion kahden sivun keskipisteiden yhdistysjanaa koskeva tulos. Vektoreita käytettäessä tulevat molemmat vaaditut näytöt hankituksi yhdessä suhteellisen lyhyessä prosessissa. Muunlainen geometrinen todistaminen vaatii yhdensuuntaisuudelle oman näyttönsä ja pituudelle omansa. Katso vaikka geometrian kurssista. On tapauksia, että vektoreiden käyttöön pohjaava todistusmenetelmä taikka tuloksen johtaminen hakkaa kirkkaasti muut menetelmät. Esim. 4 Olkoon OA = a ja OB = b ja olkoon vielä P janan AB keskipiste. Lausu OP = v vektoreiden a ja b avulla.

5 a + b OP = OA+ AP = OA+ ½ AB = OA+ ½(OB OA) = a + ½(b a) =. Tehtävän voi ratkaista myös seuraavasti: AP a + b v = a + b v =. = PB v a = b v Tarkastellaan tämän jälkeen janan jakamista kahden luvun suhteessa. Olkoon suuntajanalla AB piste C siten, että AC:CB = p:q. Miten voidaan AC ja CB lausua AB :n, p:n ja q:n avulla? Jos jakosuhde olisi esimerkiksi 3:5, eikö annettu jana tulisi silloin jakaa kahdeksaan yhtäsuureen osaan, ottaa ensimmäiseen jako-osaan näistä kolme ja toiseen viisi, joten yleistäen p q A C B = p q AC AB ja CB = p + q p + q AB. Jos tarkistetaan ja lasketaan jako-osat yhteen, saadaan

6 p q p + q AC + CB = ( + )AB = AB = AB. p + q p + q p + q Esim. 5 Olkoon annettu vektorit edustajineen OA = a ja OB = b. suuntajanan AB a ja b avulla. pisteestä A lähtien :7. Lausuttava OP Piste P jakaa vekto-reiden B P O A OA+ AB = OB AB = OB OA = b a ja AP = AB = (b a) a + b Toisaalta sitten on OP = OA+ AP = a + (b a) = a + b = Tulos on yleistettävissä mille tahansa jakosuhteelle, joten voidaan kirjoittaa **************************************************************** Lause 3 Olkoon OA = a ja OB = b. Jakakoon piste P janan AB suhteessa p:q luettuna pisteestä A lähtien. Tällöin suuntajana OP voidaan lausua muodossa qa + pb OP = p + q

7 Tod.: Täysin esimerkin 5.10 mukaisesti. Luvun tilalle sijoitetaan vain p ja luvun 7 tilalle q. **************************************************************** Huomaa, että voit käyttää tätä tulosta tarvitessasi aivan suoraan, jos satut sen vain muistamaan. Kenties taulukostakin löytyy. Esim. 6 Olkoon M kolmiossa ABC mediaanin (keskijanan) AD sellainen piste, että AM:MD = :1. Olkoot O mielivaltainen piste, (jonka ei tarvitse sijaita edes kolmion ABC määräämässä tasossa). Johda suuntajanalle OM esitys vektoreiden a, b ja c avulla, kun näillä on edustajat OA = a, OB = b ja OC = c. Piirrä kuva vihkoosi! Juuri esitellyn lauseen mukaan on 1 a + OD b + c OM = ja OD =, josta OD = b + c 3 ja kun tämä sijoitetaan OM : n lausekkeeseen, niin saadaan OM = a + b + c 3 Koska OM :n esitys ei muutu, kun a vaihdetaan vektoriksi b, b vektoriksi c ja c vektoriksi a, niin tuloksesta voidaan päätellä kolmion keskijanoja koskeva tulos: Kolmion keskijanat leikkaavat toisensa samassa pisteessä, joka jakaa jokaisen keskijanan 1: niin, että sivun puolelle jää kolmas osa.

8 Todistetaan vektorien lineaarisiin yhtälöihin läheisesti liittyvä hyvin käyttökelpoinen lause, joka muutoinkin lähentää asialle vihkiytyviä henkilöitä matematiikan yleiseen rakenteeseen **************************************************************** Lause 4 Olkoot a ja b kaksi nollasta eroavaa, keskenään erisuuntaista vektoria. Tällöin lineaarinen lauseke ra + sb = 0 r = s = 0. Tod.: Ekvivalenssinuoli ( ) väitteen keskellä tarkoittaa sitä, että jos vasen puoli on totta, se takaa oikean puolen totuuden myös ja toisaalta oikean puolen totuudellisuus takaa vasemmankin puolen totuuden.

9 Todistus jakaantuu tämän mukaisesti kahteen osaan: 1 0 Oletetaan, että oikea puoli on totta eli että r = s = 0. Tällöin ra + sb = 0a + 0b = = 0. 0 Oletetaan, että vasen puoli on totta eli että ra + sb = 0. Todistetaan nyt epäsuorasti, että välttämättä myös r = s = 0. Tehdään vastaoletus eli s antiteesi, että r 0. Tällöin on a = r b, mikä puolestaan merkitsee sitä, että joko a ja b ovat yhdensuuntaiset tai että a = 0, mikäli sattuisi olemaan s = 0. Molemmat johtopäätökset johtavat ristiriitaan oletuksen kanssa, joten ei ainakaan r voi olla nollasta eroava. Vastaavalla tavalla näytetään, että myös s on välttämättä = 0. Siispä vastaoletukset r 0 tai s 0 ovat molemmat vääriä, joten välttämättä r = s = 0. **************************************************************** Todistettu lause sisältää sen, että mikäli a ja b molemmat ovat ei-yhdensuuntaisia, nollasta eroavia vektoreita, niin ei koskaan eikä mistään löydy sellaista reaalilukua r, että olisi ra = b. Esim. 7 Suunnikkaan ABCD sivulla DC on piste E siten, että DE:EC = 3:1. Lävistäjä BD ja jana AE leikkaavat jossakin suunnikkaan sisällä olevassa pisteessä P. Missä suhteessa piste P jakaa lävistäjän BD ja janan AE? Valitaan tavanomaisesti AB = DC = a ja AD = BC = b. Annettu janan DC 3 3 jakautuminen pisteessä E kertoo, että AE = DC = a. Vektorin lyhentäminen sen suuntaa kuitenkaan muuttamatta merkitsee, että se on kerrot- 4 4 tu jollakin positiivisella, ykköstä pienemmällä luvulla. Koska tehtävässä mainittu lävistäjä BD ja jana AE leikkaavat toisensa pisteessä P, niin

10 suuntajanat AP ja BP ovat myös lyhennelmiä, edellinen janan AE ja jälkimmäinen lävistäjän BD. Jos tämä lyhentämiskerroin tiedettäisiin, oltaisiinkin jo lähellä päämäärää. Valitaan ko. kertoimet tuntemattomiksi ja kirjataan, että AP = x AE ja BP = y BD. Kolmiosta ABP saadaan mukavasti vektoriyhtälö (*): AB+ BP = AP. Pyritään lausumaan kaikki viimeksi kirjoitetussa yhtälössä esiintyvät suuntajanat suunnikkaan sivuvektoreiden avulla: AE = AD+ DE = b + 3 a ja BD = b a joten sijoittamalla (*):een 4 saadaan 3 AB+ y BD = x AE eli a + y( b a) = x( b + a) 4 3x 3x a + yb ya = xb + a ( 1 y ) a + ( y x ) b = Nyt nojataan lauseeseen 5.4. Yläpuolelle saatu kehitelmä ilmentää jotakin seuraavan sivun alussa olevasta kuvasta. Kahden erisuuntaisen vektorin lineaarinen lauseke voi olla nolla vain silloin, kun kumpaisenkin vektorin kerroin on nolla.

11 3x 1 y = 0 4 y x = y x = y = x Sijoitus y = x ylempään antaa 4 4x 3x = 0 7x = 4 x = 4, ja sama on myös y. Kun nyt tiedetään tuntemattomien selvittyä, että AP = AE jadp = DB, niin sekä lävistäjä BD että jana AE jakaantuvat näkymättömällä tavalla seitsemään osaan, ja näkyvällä tavalla kahteen osaan siten, että AP : PE = BP : PD = 4 : 3. Huom.! Vastaavalla menetelmällä on suhteellisen yksinkertaista näyttää esimerkiksi se, että suunnikkaan lävistäjät puolittavat toisensa.