Скаларни производ вектора – примери 1

Угао између вектора. Решени задаци.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији.

Пр.1)   Дати су вектори a→=(2,2,4)\overrightarrow a = \left( {2,2,4} \right) и b→=(−2,4,2)\overrightarrow b = \left( { - 2,4,2} \right). Одредити угао између ова два вектора ∠(a→,b→)\angle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right).

Пр.2)   Израчунати угао између дијагонала четвороугла ABCDABCD, ако су дата темена тог четворозгла A(−3,−7,0),B(3,−3,1),C(5,0,2)D(−1,1,1)A\left( { - 3, - 7,0} \right),B\left( {3, - 3,1} \right),C\left( {5,0,2} \right)D\left( { - 1,1,1} \right).

Пр.3)   Дати су вектрои: a→=(1,2)\overrightarrow a = \left( {1,2} \right), b→=(−1,3)\overrightarrow b = \left( { - 1,3} \right), c→=(0,−1)\overrightarrow c = \left( {0, - 1} \right) и d→=(−3,−2)\overrightarrow d = \left( { - 3, - 2} \right). Одреди угао између вектора a→−b→\overrightarrow a - \overrightarrow b и c→+d→\overrightarrow c + \overrightarrow d.


Пр.1) 

a→⋅b→=axbx⋅ayby⋅azbza→⋅b→=2⋅(−2)+2⋅4+4⋅2a→⋅b→=−4+8+8a→⋅b→=12∣a→∣=ax2+ay2+az2∣a→∣=22+22+42=4+4+16=24=26∣b→∣=(−2)2+42+22=4+16+4=24=26cos⁡∡(a→,b→)=a→⋅b→∣a→∣⋅∣b→∣cos⁡∡(a→,b→)=1226⋅26=36=12∡(a→,b→)=60∘\begin{aligned}&\overrightarrow a \cdot \overrightarrow b = {a_x}{b_x} \cdot {a_y}{b_y} \cdot {a_z}{b_z} \\ &\overrightarrow a \cdot \overrightarrow b = 2 \cdot \left( { - 2} \right) + 2 \cdot 4 + 4 \cdot 2 \\ &\overrightarrow a \cdot \overrightarrow b = - 4 + 8 + 8 \\ &\overrightarrow a \cdot \overrightarrow b = 12 \\ &\left| {\overrightarrow a } \right| = \sqrt {{a_x}^2 + {a_y}^2 + {a_z}^2} \\ &\left| {\overrightarrow a } \right| = \sqrt {{2^2} + {2^2} + {4^2}} = \sqrt {4 + 4 + 16} = \sqrt {24} = 2\sqrt 6 \\ &\left| {\overrightarrow b } \right| = \sqrt {{{\left( { - 2} \right)}^2} + {4^2} + {2^2}} = \sqrt {4 + 16 + 4} = \sqrt {24} = 2\sqrt 6 \\ & \\ &\cos \measuredangle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = \frac{{\overrightarrow a \cdot \overrightarrow b }}{{\left| {\overrightarrow a } \right| \cdot \left| {\overrightarrow b } \right|}} \\ &\cos \measuredangle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = \frac{{12}}{{2\sqrt 6 \cdot 2\sqrt 6 }} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} \\ &\measuredangle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = {60^ \circ }\end{aligned}

Пр.2)

391 png

AC→=C−A=(8,7,2)BD→=D−B=(−4,4,0)cos⁡∡(AC→,BD→)=AC→⋅BD→∣AC→∣⋅∣BD→∣AC→⋅BD→=8⋅(−4)+7⋅4+2⋅0=−4∣AC→∣=82+72+22=117=313∣BD→∣=(−4)2+42+02=32=42cos⁡∡(AC→,BD→)=−4313⋅42=−2678∡(AC→,BD→)=arccos⁡(−2678)\begin{aligned}&\overrightarrow {AC} = C - A = \left( {8,7,2} \right) \\ &\overrightarrow {BD} = D - B = \left( { - 4,4,0} \right) \\ &\cos \measuredangle \left( {\overrightarrow {AC} ,\overrightarrow {BD} } \right) = \frac{{\overrightarrow {AC} \cdot \overrightarrow {BD} }}{{\left| {\overrightarrow {AC} } \right| \cdot \left| {\overrightarrow {BD} } \right|}} \\ &\overrightarrow {AC} \cdot \overrightarrow {BD} = 8 \cdot \left( { - 4} \right) + 7 \cdot 4 + 2 \cdot 0 = - 4 \\ &\left| {\overrightarrow {AC} } \right| = \sqrt {{8^2} + {7^2} + {2^2}} = \sqrt {117} = 3\sqrt {13} \\ &\left| {\overrightarrow {BD} } \right| = \sqrt {{{\left( { - 4} \right)}^2} + {4^2} + {0^2}} = \sqrt {32} = 4\sqrt 2 \\ &\cos \measuredangle \left( {\overrightarrow {AC} ,\overrightarrow {BD} } \right) = \frac{{ - 4}}{{3\sqrt {13} \cdot 4\sqrt 2 }} = - \frac{{\sqrt {26} }}{{78}} \\ &\measuredangle \left( {\overrightarrow {AC} ,\overrightarrow {BD} } \right) = \arccos \left( { - \frac{{\sqrt {26} }}{{78}}} \right)\end{aligned}

Пр.3)

m→=a→−b→=(1,2)−(−1,3)=(2,−1)n→=c→−d→=(0,−1)+(−3,−2)=(−3,−3)m→⋅n→=−6+3=−3∣m→∣=22+(−1)2=5∣n→∣=(−3)2+(−3)2=32∡(m→,n→)=?cos⁡∡(m→,n→)=m→⋅n→∣m→∣⋅∣n→∣=−1010∡(m→,n→)=arccos⁡(−1010)\begin{aligned}&\overrightarrow m = \overrightarrow a - \overrightarrow b = \left( {1,2} \right) - \left( { - 1,3} \right) = \left( {2, - 1} \right) \\ &\overrightarrow n = \overrightarrow c - \overrightarrow d = \left( {0, - 1} \right) + \left( { - 3, - 2} \right) = \left( { - 3, - 3} \right) \\ &\overrightarrow m \cdot \overrightarrow n = - 6 + 3 = - 3 \\ &\left| {\overrightarrow m } \right| = \sqrt {{2^2} + {{\left( { - 1} \right)}^2}} = \sqrt 5 \\ &\left| {\overrightarrow n } \right| = \sqrt {{{\left( { - 3} \right)}^2} + {{\left( { - 3} \right)}^2}} = 3\sqrt 2 \\ &\measuredangle \left( {\overrightarrow m ,\overrightarrow n } \right) = ? \\ &\cos \measuredangle \left( {\overrightarrow m ,\overrightarrow n } \right) = \frac{{\overrightarrow m \cdot \overrightarrow n }}{{\left| {\overrightarrow m } \right| \cdot \left| {\overrightarrow n } \right|}} = - \frac{{\sqrt {10} }}{{10}} \\ &\measuredangle \left( {\overrightarrow m ,\overrightarrow n } \right) = \arccos \left( { - \frac{{\sqrt {10} }}{{10}}} \right)\end{aligned}

Угао између два вектора рачуна се из скаларног производа: cos⁡∡(a→,b→)=a→⋅b→∣a→∣⋅∣b→∣\cos\measuredangle(\overrightarrow{a}, \overrightarrow{b}) = \frac{\overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{b}}{|\overrightarrow{a}| \cdot |\overrightarrow{b}|}, где је у координатама a→⋅b→=axbx+ayby+azbz\overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{b} = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z. Поступак је увек исти: скаларни производ, затим интензитети, па количник и угао. Ако су дата темена, прво образујте векторе, на пример дијагонале AC→=C−A\overrightarrow{AC} = C - A и BD→=D−B\overrightarrow{BD} = D - B.

Угао између вектора је увек између 0∘0^\circ и 180∘180^\circ. Знак косинуса говори о углу: позитиван значи оштар угао, нула прав, а негативан туп. Ако угао није табличан, одговор оставите као arccos⁡\arccos количника или га израчунајте калкулатором. Честа грешка је множење уместо сабирања производа координата.

xyznsφпанел222Превуците да окренете
2
3
Угао φ између n и s
31°
Удео највеће снаге
86%
Почетни положај Сунца је онај из примера: угао између зрака и нормале n→\overrightarrow{n} је око 31∘31^\circ. Што је тај угао мањи, панел даје више снаге. Ставите „Сунце ка истоку“ на 0, а висину на 8: зраци тада падају нормално на панел, угао је 0∘0^\circ и панел даје пуну снагу.

Инжењери соларних електрана угао између сунчевих зрака и панела рачунају скаларним производом, а програми за 3D графику истим рачуном одређују колико је која површина осветљена.

Сунце и соларни панел

Соларни панел на крову куће у Вршцу окренут је ка југу. У координатном систему са осом xx ка истоку, yy ка северу и zz навише, вектор нормалан на панел је n→=(0,−3,4)\overrightarrow{n} = (0, -3, 4), а пре подне вектор ка Сунцу је s→=(2,−6,3)\overrightarrow{s} = (2, -6, 3). Колики угао зраци заклапају са нормалом панела? Снага панела сразмерна је косинусу тог угла: колики део највеће снаге панел тада даје?

Решење

  1. n→⋅s→=0⋅2+(−3)⋅(−6)+4⋅3=18+12=30\overrightarrow{n} \cdot \overrightarrow{s} = 0 \cdot 2 + (-3) \cdot (-6) + 4 \cdot 3 = 18 + 12 = 30.
  2. ∣n→∣=0+9+16=5|\overrightarrow{n}| = \sqrt{0 + 9 + 16} = 5 и ∣s→∣=4+36+9=7|\overrightarrow{s}| = \sqrt{4 + 36 + 9} = 7.
  3. cos⁡∡(n→,s→)=305⋅7=67≈0,857\cos\measuredangle(\overrightarrow{n}, \overrightarrow{s}) = \frac{30}{5 \cdot 7} = \frac{6}{7} \approx 0{,}857, па је ∡(n→,s→)=arccos⁡67≈31∘\measuredangle(\overrightarrow{n}, \overrightarrow{s}) = \arccos\frac{6}{7} \approx 31^\circ.
  4. Панел даје 67≈86%\frac{6}{7} \approx 86\% снаге коју би давао кад би зраци падали нормално на њега.

Одговор: Зраци заклапају са нормалом панела угао од око 31∘31^\circ, а панел тада ради са око 86% највеће снаге.

Задатак за вежбу

Израчунајте угао између дијагонала четвороугла ABCDABCD са теменима A(1,0,2)A(1, 0, 2), B(−1,0,0)B(-1, 0, 0), C(2,2,1)C(2, 2, 1) и D(5,3,3)D(5, 3, 3).

Прикажи решење

AC→=(1,2,−1)\overrightarrow{AC} = (1, 2, -1), BD→=(6,3,3)\overrightarrow{BD} = (6, 3, 3), AC→⋅BD→=6+6−3=9\overrightarrow{AC} \cdot \overrightarrow{BD} = 6 + 6 - 3 = 9, ∣AC→∣=6|\overrightarrow{AC}| = \sqrt{6}, ∣BD→∣=36|\overrightarrow{BD}| = 3\sqrt{6}. Тада је cos⁡∡(AC→,BD→)=918=12\cos\measuredangle(\overrightarrow{AC}, \overrightarrow{BD}) = \frac{9}{18} = \frac{1}{2}, па је угао 60∘60^\circ.