Векторная алгебра

Теперь мы должны описать законы, или правила, 'регули­рующие возможные сочетания различных векторов. Прежде всего мы изучим сумму двух векторов. Пусть векторы а и b задаются в какой-нибудь системе координат составляющими а_х, a_y , a_z и b_x, b_y ,b_z. Предположим, что кому-то пришло в голову составить три числа а_х+b_x, a_y+b_y , а_г+b_z. Получим ли мы в результате вектор? Вы можете сказать: «Разумеется, ведь это три числа, а три числа образуют вектор». Нет, вектор обра­зуют не любые три числа! Чтобы задать вектор, мы должны связать заданные нам три числа с координатной системой так, чтобы при повороте координатных осей эти числа «поворачива­лись» относительно друг друга и «перемешивались» по описан­ным ранее правилам. Таким образом, мы должны выяснить, во что превращаются числа а_х+b_х, а_y+b_y, a_z+b_г, если известно, что при изменении системы координат числа а_х, а_у, a_z переходят в а'_х, а'_у, a'_z, а b_х, b_у, b_г переходят в b'_x, b'_y, b'_г? Получим ли мы после поворота координатных осей числа а'_х +b'_x, a'_y+b'_y, a'_z+b'_z? Ответ, конечно, будет утвердительным, потому что наше основное уравнение (11_:5) определяет так называемое линейное преобразование. Если мы применим это преобразование к а_х и b_х и вычислим а_х+b_x то окажется, что преобразованное а_х+b_х есть то же самое, что и а_х+b_х. «Складывая» векторы а и b по только что описанному правилу, мы получаем новый вектор c. Мы запишем это так:

с=а +b.

Вектор с обладает интересным свойством:

с=b+а;

это легко проверить, написав составляющие вектора с. Кроме того,

а+(b+с)=(а+b) + с.

Векторы можно складывать в любом порядке.

Каков геометрический смысл а+b? Как будет выглядеть вектор с, если мы, скажем, изобразим а и b с помощью стре­лок? Ответ на этот вопрос дает фиг. 11.4.

Фиг.11.4.Сложение векторов.

 

Мы видим, что приба­вить составляющие вектора b к составляющим вектора а проще всего, приложив соответствующим образом прямоугольник, определяемый составляющими b, к такому же прямоугольнику, определяемому составляющими а. Поскольку а и b хорошо подогнаны к своим прямоугольникам, то это все равно, что поставить вектор b «ногами» на «голову» вектору а. Стрелка, сое­диняющая «ноги» вектора а и «голову» вектора b, и будет век­тором с. Можно поступить иначе: поставить «ноги» а на «голову» b. Вспомнив геометрические свойства параллелограмма, можно убедиться в том, что мы снова получим тот же вектор с. Заметим, что, ставя векторы друг на друга, мы складываем их без помощи координатных осей.

Предположим, что мы умножили вектор а на число а. Что нужно понимать под таким произведением? Договоримся по­нимать под этим вектор с компонентами аа_х, аа_у, aa_z. Дока­жите сами, что это действительно вектор.

Рассмотрим теперь вычитание векторов. Можно определить вычитание тем же способом, что и сложение, но вместо того, чтобы складывать, будем вычитать составляющие. Можно также определить вычитание как сложение с отрицательным вектором -b=(-1)b. Результат будет тот же.

Вычитание векторов показано на фиг. 11.5.

Фиг.11,5.Вычитание векторов.

 

На этом черте­же изображено

d=а-b=а+(-b); заметим также, что, зная векторы а и b, разность а-b можно легко найти из эквивалентного соотношения а=b+d. Таким образом найти раз­ность векторов даже легче, чем сумму: просто нужно провести вектор, соединяющий b и а, и вы получите а-b!

Перейдем теперь к скорости. Почему скорость есть вектор? Если координаты точки равны х, у, z, то скорость ее равна dx/dt, dy/dt, dz/dt. Вектор это или не вектор? Дифференцируя выражение (11.5), можно найти закон преобразования dx'ldt. Видно, что величины dx/dt, dy/dt преобразуются по тому же закону, что и х и у. Таким образом, скорость есть вектор. Вы­ражение для скорости можно записать очень интересно:

v=dr/dt.

Постараемся нагляднее представить себе, что такое ско­рость и почему она вектор. Далеко ли продвинется частица за малое время Dt? Ответ: на Dr, т. е. если частица находится «здесь» в первое мгновение, а «там» — во второе, то векторная разность положений частицы равна вектору Dr=r₂-r₁. расположенному вдоль направления движения. Как это выглядит, показано на фиг. 11.6. Если разделить этот вектор на промежуток времени Dt = t₂-t₁, то мы получим вектор «средней скорости».

Иначе говоря, под вектором скорости мы понимаем предел разности радиус-векторов, соответствующих моментам t+Dt и t, деленной на Dt при Dt, стремящемся к нулю:

Скорость есть вектор постольку, поскольку она равна разности двух векторов. Это верно также и потому, что составляющие этого вектора равны dx/dt, dy/dt, dz/dt. Подумав над тем, что сейчас было проделано, мы придем к выводу, что, продиффе­ренцировав любой вектор по времени, мы снова получим какой-то новый вектор. Таким образом, имеется несколько способов получать новые векторы: 1) умножая вектор на постоянное число; 2) дифференцируя вектор по времени; 3) складывая два вектора или вычитая.