Логическое продолжение статьи "Векторы для чайников. Часть 1". В первой части рассказывается о том, что такое вектор и о простейших операциях с векторами (сложение и разность векторов, умножении вектора на число).

На этом котики кончаются и начинается злая математика.

Действия с векторами

Скалярное произведение векторов

Сложение векторов, умножение вектора на число…. Было бы наивным думать, что математикам было это достаточно и они не придумали что-то еще.

Скалярное произведение векторов  ā и b̅ - это ЧИСЛО, которое равно произведению длин векторов ā и b̅ и косинуса угла между ними: 

С математической точки зрения скалярное произведение безразмерно - это просто число и все. Скалярное произведение векторов часто применяется в физике и размерность скалярного произведения будет уже зависеть от конкретной задачи. 

Типовая задача при которой используется скалярное произведение - это работа постоянной силы, где в качестве векторов принимаются постоянная сила F, применяемая к какому-то объекту и вектор перемещения s. В этом случае скалярное произведение векторов - это конкретное число - работа силы. Так как работа измеряется в Джоулях и каждый вектор имеет свой физический смысл, то и результат скалярного произведения в данном случае будет измеряться в Джоулях.
 

Векторное произведение векторов

Так иногда бывает, что для полного счастья математикам нужно что-то еще, и если скалярное произведение еще может быть знакомо со школы, то векторное произведение чаще всего изучают в ВУЗе на курсах вышмата.

Обрадую всех вас - если все, что происходило до этого работало и в двухмерном и в трехмерном пространстве, то векторное произведение векторов подразумевает работу ТОЛЬКО с трехмерным пространством. (Стало проще, да ведь?)

В данном произведении участвуют также 2 вектора. Отличие от скалярного произведения тех же двух векторов будет в том, что в результате векторного произведения получается ВЕКТОР, а не число.

Формальное определение:
 

Векторным произведением  ā x b̅  неколлинеарных векторов  ā и b̅, взятых в определенном порядке, называется ВЕКТОР ā x b̅ , длина которого численно равна площади параллелограмма, построенного на данных векторах; вектор ā x b̅  ортогонален векторам  ā и b̅, и направлен так, что базис (ā; b̅;ā x b̅) имеет правую ориентацию.

Это определение сложное и требует некоторых комментариев:

1. 

Векторы ā и b̅ по определению должны быть неколлинеарны. Два вектора называются коллинеарными, если они лежат на одной прямой или на параллельных прямых. Таким образом такие векторы могут называться параллельными, но так называть вектора просто не принято - их называют коллинеарными. Касаемо ситуации с векторным произведением - векторы должны быть, наоборот, непараллельными.

2.

 Важен порядок векторов. От этого зависит направление результата.

3.

Длина результирующего вектора равна площади заштрихованного параллелограмма. 

4.

Результирующий вектор ортогонален векторам  ā и b̅, т.е.  ā ┴ [ā x b̅]  и  b ┴ [ā x b̅]

5.

Результирующий вектор  направлен так, что базис (ā; b̅;ā x b̅) имеет правую ориентацию. 

Мысленно совместите указательный палец с вектором ā и средний палец с вектором b̅. Безымянный палец и мизинец прижмите к ладони. В результате большой палец – результирующий вектор [ā x b̅] будет смотреть вверх. Это правоориентированный базис.

Указательный палец левой руки с тем же вектором  ā, а средний – с вектором b̅. При этом большой палец будет неизбежно смотреть вниз – по направлению вектора . Это левый или левоориентированный базис.

Эти базисы не являются чем-то абстрактным. Примером может служить изображение и его отражение в зеркале. Самое обычное зеркало меняет ориентацию пространства, а изображение и зеркальное отражение этого отображения невозможно просто наложить друг на друга (попробуйте совместить «базисы» левой и правой руки, после чего станет понятно, что указательные и средние пальцы не совмещаются).

Что же будет, если вектора  ā и b̅ будут коллинеарны (т.е. параллельны, говоря на простом языке) - все просто, параллелаграм, который образуется этими векторами “складывается” в плоскую прямую, а площадь такой прямой равна нулю, из-за чего и результирующий вектор равен нулевому.