Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js

Угол между двумя векторами

В трехмерной системе координат зададим две точки B1 и B2. Рассмотрим вектора ¯OB1(α1,β1,γ1) и ¯OB2(α2,β2,γ2), где точка Oначало координат.

Определение. Углом между двумя векторами называется наименьший угол, при повороте на который направление одного вектора совпадает с направлением второго.

Для нахождения угла между векторами ¯OB1 и ¯OB2 воспользуемся материалом первой статьи. Пусть точки B1 и B2 определяют вектор ¯B1B2. Тогда ¯B1B2 представим в виде разности векторов ¯OB2 и ¯OB1:

Из рисунка видно, что искомый угол B1OB2 можно найти с помощью теоремы косинусов: |¯OB2¯OB1|2=|¯OB1|2+|¯OB2|22|¯OB1||¯OB2|cos(¯OB1,¯OB2).

Теперь необходимо найти длины векторов. Опираясь на материал третьей статьи, имеем: |¯OB1|=α21+β21+γ21, |¯OB2|=α22+β22+γ22. Подставим результат в формулу: (α2α1)2+(β2β1)2+(γ2γ1)2=α21+β21+γ21++α22+β22+γ222α21+β21+γ21α22+β22+γ22cos(¯OB1,¯OB2), и упростим выражение: 2(α2α1+β2β1+γ2γ1)=2α21+β21+γ21α22+β22+γ22cos(¯OB1,¯OB2). Откуда:cos(¯OB1,¯OB2)=α1α2+β1β2+γ1γ2α21+β21+γ21α22+β22+γ22. В случае двумерного пространства формула примет следующий вид: cos(¯OB1,¯OB2)=α1α2+β1β2α21+β21α22+β22.

Пример

Даны произвольные точки A(2,3,5), B(6,4,3) и C(5,4,1). Найти угол между векторами ¯AB и ¯AC.

Решение

Смотрите также

  1. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1994, Глава 3, § 25, «Некоторые задачи» (стр. 81-82)
  2. Виноградов И.М. Аналитическая геометрия. М.: Наука, 1986, Глава 6, § 5 «Косинус угла между двумя векторами» (стр. 131-135)
  3. Ефимов Н.В. Краткий курс аналитической геометрии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, Глава 7, § 46 «Направляющие косинусы» (стр. 133)

Измерения в евклидовом пространстве

1. Определить скалярное произведение векторов latexX,Y

latexX=(2,1,1,2), latexY=(3,1,2,1).

Нам известна теорема о том, что если два вектора latexa,b заданы своими декартовыми прямоугольными координатами, то скалярное произведение этих векторов равно сумме попарных произведений соответствующих координат.
Воспользуемся ей. Получим:

latex(X,Y)=23+1(1)+(1)(2)+21=9

Ответ: 9.

2. Нормировать вектор latexX=(1,3,0,2)

Для того, чтобы нормировать вектор нам необходимо найти его модуль, и каждую координату разделить на него.

latex|X|=12+32+(2)2=13

latexX=(113,313,0,213)

Ответ: latexX=(113,313,0,213).

3. Определить угол между векторами latexX,Y

latexX=(1,2,2,3), latexY=(3,1,5,1).

Нам известно, что по определению скалярного произведения latex(a,b)=|a||b|cos(a,b)cos(a,b)=(a,b)|a||b|

Воспользовавшись тем, что latex|a|=x21+x22++x2n, а также предыдущей формулой и метод нахождения скалярного произведения из первой задачи, получаем:

latexcos(X,Y)=13+21+25+3112+22+22+3232+12+52+12

latexcos(X,Y)=181836=12.

Ответ: угол между векторами latexX,Y равен latex45.

4.Определить косинусы внутренних углов треугольника latexABC, заданного координатами  вершин:

latexA=(1,2,1,2)latexB=(3,1,1,0)latexC=(1,1,0,1)

Для того, что найти соответствующие углы необходимо найти координаты векторов, являющихся сторонами данных углов.
Найдем их.

latexAB=(31,12,11,02)=(2,1,2,2)

latex|AB|=22+(1)2+(2)2+(2)2=13

latexCB=(31,11,10,01)=(2,0,1,1)

latex|CB|=22+(1)2+(1)2=6

latexAC=(11,12,01,12)=(0,1,1,1)

latex|AC|=(1)2+(1)2+(1)2=3

Воспользовавшись методом решения третей  задачи, найдем косинусы углов latexA,B,C.

latexcosA=(1)(1)+(1)(2)+(1)(2)313=539

latexcosB=22+(2)(1)+(2)(1)136=878

latexcosC=1(1)+1(1)63=23

Ответ: latexcosA=539, latexcosB=878,  latexcosC=23.

Литература:

Тест