Перейти к содержимому

Что такое вектор и какую информацию несёт стрелка

Что показывает вектор, почему одинаковой длины недостаточно для равенства и как читать координаты. Схемы переноса, условные примеры и задания с ответами.

4 мин чтения
Руслан Авдеев
Содержание статьи

В школьной геометрии вектор — это направленный отрезок: у него указаны начало и конец. На рисунке его изображают стрелкой. Для ненулевого вектора важны и длина, и направление, поэтому одинаковые по длине стрелки могут обозначать разные векторы. Например, перенос вправо отличается от такого же переноса влево. Координаты позволяют записать это различие числами. Ниже разберём свободные векторы на плоскости: когда они равны, как меняется знак при развороте и что означает пара чисел в записи.

Почему одной длины недостаточно?

У отрезка можно измерить длину, не выбирая направление. Для вектора нужно дополнительно указать, откуда и куда он идёт. Это меняет смысл даже при неизменной длине.

Согласно приложению о векторах к лекции СУНЦ МГУ по кинематике, первая буква обозначает начало, вторая конец. Вектор AB идёт из A в B, а вектор BA возвращает из B в A. При разных точках это противоположные векторы.

Две бумажные лодочки и две условные стрелки одинаковой длины: одна направлена вправо, другая влево. Такие ненулевые векторы противоположны, а не равны.
Стрелки условно показывают противоположные направления. Рисунок не измеряет скорость лодочек.

Согласно учебнику OpenStax University Physics, скалярную величину описывают числом с единицей, а для векторной требуется также направление. Например, масса является скалярной величиной, перемещение в пространстве векторной.

В учебниках над именем вектора ставят стрелку или выделяют его жирным. Здесь перед обозначениями AB и BA прямо пишем слово «вектор», чтобы отличать их от обычных отрезков.

Одинаковый перенос в разных местах

Представьте две стрелки одинаковой длины, направленные параллельно в одну сторону. Одну нарисовали внизу листа, другую выше. Для свободных векторов такое различие положения не меняет равенства.

В школьных задачах обычно рассматривают свободные векторы. Их можно переносить параллельно самим себе. При этом нельзя поворачивать стрелку или менять её длину.

Равные векторы AB и CD нарисованы в разных местах. Обе стрелки направлены вправо вверх и имеют одинаковую длину.
Свободные векторы сравнивают по длине и направлению, а не по месту на листе.

Согласно учебнику Фоксфорда, равные векторы сонаправлены и имеют равные длины. Сонаправленность означает совпадение направления у векторов, лежащих на одной или параллельных прямых.

Одной параллельности недостаточно. Параллельные стрелки могут смотреть в противоположные стороны; тогда они не будут сонаправленными. А сонаправленные стрелки разной длины ещё не равны.

Как прочитать координаты вектора?

На плоскости вектор записывают парой чисел в выбранной системе координат. Первое показывает изменение по оси x, второе по оси y. Это изменение положения, а не обязательно координаты точки, где заканчивается стрелка.

Возьмём условный учебный пример: A(1; 1) и B(5; 3). Положительное направление x выбрано вправо, y вверх. Чтобы попасть из A в B, требуется смещение на 4 единицы вправо и на 2 вверх.

  1. Вычтите начальную координату x
    5 − 1 = 4. Это горизонтальное изменение.
  2. Вычтите начальную координату y
    3 − 1 = 2. Это вертикальное изменение.
  3. Запишите пару в прежнем порядке
    Получится (4; 2). Не меняйте местами горизонтальную и вертикальную координаты.
На равномерной координатной сетке вектор идёт из A(1; 1) в B(5; 3). Горизонтальная разность равна 4, вертикальная 2: координаты вектора (4; 2).
Координаты конца B равны (5; 3), координаты вектора AB равны (4; 2). Это разные пары.

Правило «конец минус начало» приведено и в уроке Ростелеком Лицея о координатах векторов. Для обратного вектора BA порядок вычитания меняется: 1 − 5 = −4, затем 1 − 3 = −2. Получаем (−4; −2).

Другой перенос из C(2; 4) в D(6; 6) имеет координаты (6 − 2; 6 − 4) = (4; 2). В той же системе координат это вектор, равный AB.

Калькулятор в карточке позволяет задать начало и конец, проверить полученные координаты и посмотреть модуль. Здесь мы объясняем смысл стрелки; подробный расчёт вынесен в статью как найти длину вектора.

Из двух перемещений получается одно

Два вектора складывают так, чтобы начало второго совпало с концом первого. Результат идёт из начала первого в конец второго. Это называют правилом треугольника.

Для условного примера сначала сместимся на 4 единицы вправо, затем на 2 вверх. Получатся два перемещения и один итоговый вектор.

ПеремещениеКоординаты
Первое: вправо(4; 0)
Второе: вверх(0; 2)
Итог от начала до конца(4 + 0; 0 + 2) = (4; 2)

Складываются соответствующие координаты. Число 4 относится к горизонтальному изменению, число 2 к вертикальному. Сложить их в 6 и назвать это длиной итогового вектора было бы ошибкой.

Построение суммы описано в уроке Фоксфорда об операциях с векторами. Оно работает и тогда, когда второй вектор приходится сначала параллельно перенести к концу первого.

Когда стрелка не описывает весь путь?

Вектор перемещения связывает начальную точку с конечной. Он не хранит подробности маршрута: были ли повороты, остановки или возвращения. Разные маршруты между теми же точками могут дать одинаковый вектор перемещения.

Вектор может быть нулевым. Например, после прогулки с возвращением в исходную точку начальное и конечное положения совпадут. Суммарное перемещение окажется нулевым, хотя человек прошёл ненулевой путь.

Ошибка: считать отсутствие перемещения отсутствием движения. Нулевой итоговый вектор говорит о совпадении начала и конца. Он не доказывает, что между ними ничего не происходило.

Это различие соответствует определению перемещения и пути в OpenStax. Для восстановления всего движения нужны дополнительные сведения о положении во времени.

Если вы готовитесь к школьному экзамену и хотите закрепить тему задачами, есть раздел курсов для подготовки к ОГЭ по математике. Проверьте, входит ли в программу работа с векторами и координатами.

Какие стрелки совпадут после переноса?

Ответьте на три вопроса. Считайте, что речь о свободных векторах в одной системе координат, а все числовые примеры условные.

  1. Две стрелки направлены вправо, но одна вдвое длиннее. Равны ли векторы?
  2. У одного вектора координаты (4; 2), у другого (−4; −2). Что между ними общего и в чём различие?
  3. Точка E имеет координаты (2; 3), точка F координаты (2; 3). Каким будет вектор EF?
Ответы
  1. Нет. Направление совпадает, длины различаются. Сонаправленности недостаточно для равенства.
  2. Длины одинаковы, направления противоположны. Эти ненулевые векторы противоположны, но не равны.
  3. Разности координат: 2 − 2 = 0 и 3 − 3 = 0. Вектор нулевой: (0; 0). Направление у него не определено.

При переносе сравнивайте стрелки целиком. Если изменили наклон или длину, вы построили другой ненулевой вектор. А числовая запись зависит от выбранных осей, поэтому координаты сравнивают внутри одной системы.

Вывод

Вектор помогает описать направленное изменение. У свободных ненулевых векторов равенство требует одинаковой длины и направления; перенос рисунка этого не нарушает. Координаты находят как «конец минус начало». Запись (4; 2) сообщает два изменения по осям, а не готовую длину стрелки.

Часто задаваемые вопросы

Вектор и отрезок — это одно и то же?

В школьной геометрии вектор представляют направленным отрезком. У него выделены начало и конец. Обычный отрезок рассматривают без такого выбора направления. Если поменять местами разные точки, вектор изменится на противоположный.

Что такое модуль вектора?

Это его длина. Модуль записывают вертикальными чертами вокруг имени вектора, например |a|. Он неотрицателен и равен нулю только у нулевого вектора. Сам модуль не сообщает направление.

Все параллельные векторы равны?

Нет. Ненулевые векторы на одной или параллельных прямых называют коллинеарными. Они могут иметь разные длины и противоположные направления. Для равенства нужны одинаковая длина и сонаправленность.

Есть ли направление у нулевого вектора?

Нет, оно не определено. Начало и конец нулевого вектора совпадают, длина равна нулю. Его нельзя изображать обычной ненулевой стрелкой, выбирая произвольное направление.

Почему у координат вектора бывает минус?

Отрицательная координата означает изменение против положительного направления соответствующей оси. В нашей системе запись (−4; −2) означает 4 единицы влево и 2 вниз. Она не означает отрицательную длину.

Что происходит при умножении вектора на число?

Длина умножается на модуль числа. При положительном множителе направление ненулевого вектора сохраняется, при отрицательном меняется на противоположное. Умножение на ноль даёт нулевой вектор.

Вектор всегда состоит из двух координат?

Нет. На плоскости в выбранной системе используют две координаты, в обычном трёхмерном пространстве три. В этой статье рассматриваются геометрические векторы на плоскости; более общие векторные пространства изучают отдельно.

Была ли статья полезной?

Одно нажатие, без регистрации. По ответам мы решаем, какие темы раскрывать подробнее.

Ваш ответ здесь будет первым.

Обсуждение

Комментарии читателей

Вопрос по статье, свой опыт или замеченная неточность — всё это помогает следующим читателям

Инструменты из этой статьи

Все статьи

Как найти длину вектора — формула, примеры и частые ошибки

Длина вектора — это его модуль |a|, и равна она √(x² + y²): сложите квадраты координат и извлеките корень. Разбираем простыми словами и на чертежах, как найти длину по координатам и по двум точкам, в 2D и 3D.

Инструкция5 мин чтения294 просмотра

Как найти высоту трапеции — все формулы и калькулятор

Высота трапеции — это перпендикуляр между её основаниями. Показываем на чертежах, как найти её через площадь, через сторону и угол, для равнобедренной и разносторонней трапеции — с разбором на числах.

Инструкция7 мин чтения412 просмотров