Algebra wektorowa, iloczyn skalarny i wektorowy

Wektory można sobie wyobrażać jako strzałki zaczepione w przestrzeni, z czym być może już się spotkałeś. Natomiast wektor w pojęciu matematycznym jest definiowany jako pewien uporządkowany zbiór liczb często zapisywany w kolumnie. Każda z takich liczb definiujących wektor to jego składowa w odpowiednim układzie współrzędnych. Spróbuj narysować kilka wektorów, wpisując wartości składowych w układzie kartezjańskim w okienka poniżej a następnie przeciągnij wektor lewym przyciskiem myszy i zobacz, jak zmieniają się składowe.

Wektor w przestrzeni
LEWY PRZYCISK: Przeciągnij grot wektora  |  PRAWY PRZYCISK: Obróć kamerę

Być może już wiesz, że wektory można dodawać. Dodawanie wektorów znaczy dokładnie tyle, co dodanie każdej składowej oddzielnie. W ten sposób powstanie nowy wektor o nowych składowych. Zobacz, że w animacji poniżej kształt, który tworzą wektory sumowane z przerywanymi liniami to równoległobok. To nie przypadek! Metoda graficzna dodawania wektorów jest nazywana metodą równoległoboku i polega na utworzeniu takiej figury z odpowiednio skopiowanych i przesuniętych wektorów sumowanych. Sprawdź to, przesuwając lub zmieniając ręcznie wektory!

W animacji powyżej pojawił się także tajemniczy napis: iloczyn skalarny. Jest to wielkość skalarna (czyli jedna liczba, a nie kilka w kolumnie tak jak w wektorze – np. temperatura, masa itp.), którą przypisuje się pewnemu działaniu na dwa wektory. Działanie to polega na wysumowaniu iloczynów odpowiednich składowych wektorów, czyli (pierwsza*pierwsza)+(druga*druga) w dwóch wymiarach i analogicznie w trzech. Ile jest równy iloczyn skalarny wektora samego ze sobą? Zastanów się i sprawdź!

Iloczyn Wektorowy 3D
Iloczyn Wektorowy
Wektor u (czerwony)
Wektor v (niebieski)
Wynik: w = u × v
LEWY PRZYCISK: Przeciągnij groty wektorów u i v  |  PRAWY PRZYCISK: Obróć kamerę
Sprawdź swoją wiedzę z Wektorów
Czy kolejność mnożenia wektorów ma znaczenie?
+
To zależy od rodzaju iloczynu!

W iloczynie skalarnym kolejność NIE ma znaczenia: u ∘ v = v ∘ u.

W iloczynie wektorowym kolejność MA kluczowe znaczenie! Zmiana kolejności odwraca zwrot wektora wynikowego (reguła prawej dłoni): u × v = -(v × u).
Co to znaczy, że iloczyn skalarny dwóch wektorów wynosi zero?
+
Jeśli mnożymy przez siebie dwa niezerowe wektory, a ich iloczyn skalarny wychodzi równy 0, oznacza to, że wektory te są do siebie idealnie prostopadłe (kąt między nimi to 90°).

Wynika to ze wzoru: |u| · |v| · cos(90°) = 0. W fizyce oznacza to np., że siła prostopadła do toru ruchu nie wykonuje żadnej pracy.
Kiedy iloczyn wektorowy jest równy zero?
+
Iloczyn wektorowy znika (daje wektor zerowy [0, 0, 0]), gdy wektory są do siebie równoległe (leżą na tej samej prostej). Może to być kąt 0° lub 180°.

Wzoruje się to na funkcji sinus: |u| · |v| · sin(0°) = 0. Przykład fizyczny: siła Lorentza nie działa na ładunek poruszający się równolegle do linii pola magnetycznego.
Jaka jest fizyczna różnica między wynikiem iloczynu skalarnego i wektorowego?
+
Iloczyn skalarny "produkuje" zwykłą liczbę (skalar). Nie ma ona kierunku ani zwrotu. Przykład: Praca (W), Moc, Strumień pola.

Iloczyn wektorowy "produkuje" nowy, trzeci wektor w przestrzeni, który jest prostopadły do dwóch poprzednich. Posiada kierunek, zwrot i wartość. Przykład: Moment siły (M), Siła Lorentza.