מכפלה סקלרית: זווית בין וקטורים וניצבות

30%
📖שיעור
50 דקות

מכפלה סקלרית: זווית בין וקטורים וניצבות

נגדיר את המכפלה הסקלרית בגישה הגאומטרית u⋅v=∣u∣∣v∣cos⁡⁡αu \cdot v=|u||v|\cos ⁡\alpha, נשתמש בה כדי לחשב אורכים ושטחים, למצוא את הזווית בין וקטורים, ולבדוק ניצבות באמצעות התנאי u⋅v=0u \cdot v=0.

מכפלה סקלרית: זווית בין וקטורים וניצבות

מבוא

הווקטור נתן לנו כלי לתאר כיוון ואורך. כעת נוסיף פעולה חדשה — המכפלה הסקלרית — שמכניסה לתמונה את הזווית בין שני וקטורים. בעזרתה נחשב אורכים, נמצא זוויות בגופים, ונכריע באלגנטיות אם שני וקטורים מאונכים.

מטרות השיעור

  • להגדיר את המכפלה הסקלרית:
  • להבין שהמכפלה הסקלרית היא מספר (סקלר), ושסימנה מעיד אם הזווית חדה, ישרה או קהה
  • לחשב אורך וקטור באמצעות
  • למצוא את הזווית בין שני וקטורים:
  • לבדוק ניצבות בעזרת התנאי , ולחשב שטחי צורות

הרעיון המרכזי

הגדרת המכפלה הסקלרית (גישה גאומטרית)

לכל שני וקטורים (שונים מאפס) מגדירים מספר: כאשר היא הזווית ביניהם (), הנמדדת כששני הווקטורים יוצאים מאותה נקודה.

התוצאה היא סקלר (מספר), לא וקטור. הסימן נקבע על ידי :

  • זווית חדה () ⟸
  • זווית ישרה () ⟸
  • זווית קהה () ⟸ (כי )

תכונות המכפלה הסקלרית

  • אורך וקטור: , ולכן .
  • חוק החילוף: .
  • הומוגניות: .
  • חוק הפילוג: .
  • כפל מקוצר: וגם .

זווית וניצבות

מתוך ההגדרה מקבלים נוסחה למציאת הזווית:

תנאי הניצבות: שני וקטורים (שונים מאפס) מאונכים זה לזה אם ורק אם המכפלה הסקלרית שלהם שווה לאפס:


דוגמאות מפורטות

דוגמה 1: חישוב מכפלה סקלרית מהגדרה

נתון ∣u∣=8,∣v∣=5|u|=8, |v|=5 והזווית ביניהם 45∘45^{\circ}. חשבו את u⋅vu \cdot v.

1

שלב 1 — נוסחת ההגדרה

u⋅v=∣u∣⋅∣v∣⋅cos⁡αu \cdot v = |u| \cdot |v| \cdot \cos \alpha.

דוגמה 2: מציאת הזווית בין וקטורים

נתון u⋅v=−15,∣u∣=5,∣v∣=6u \cdot v = -15, |u| = 5, |v| = 6. מצאו את הזווית α\alpha בין הווקטורים.

הסימן השלילי כבר רומז שהזווית קהה.

1

שלב 1 — נוסחת הזווית

cos⁡α=(u⋅v)⁄(∣u∣⋅∣v∣)\cos \alpha = (u \cdot v) ⁄ (|u| \cdot |v|).

דוגמה 3: אורך סכום וקטורים (כפל מקוצר)

נתון ∣u∣=5,∣v∣=8|u|=5, |v|=8 והזווית ביניהם 60∘60^{\circ}. חשבו את ∣u−v∣|u-v|.

זהו למעשה משפט הקוסינוסים בשפת וקטורים.

1

שלב 1 — מרבעים

∣u−v∣2=(u−v)⋅(u−v)=u2−2u⋅v+v2=∣u∣2−2u⋅v+∣v∣2|u-v|^{2} = (u-v) \cdot (u-v) = u^{2} - 2u \cdot v + v^{2} = |u|^{2} - 2u \cdot v + |v|^{2}.

דוגמה 4: ניצבות וזווית במנסרה ישרה

במנסרה ישרה הבסיסים משולשים שווי-צלעות בעלי צלע 3, והמקצוע הצדדי AA′=4AA'=4. נסמן u=AB,v=AC,w=AA′u=AB, v=AC, w=AA'. חשבו את הזווית BA'C.

1

שלב 1 — מבטאים את הווקטורים

A′B=AB−AA′=u−wA'B = AB - AA' = u - w, וכן A′C=AC−AA′=v−wA'C = AC - AA' = v - w.

דוגמה 5: שטח משולש בעזרת המכפלה הסקלרית

במשולש שבו u=AB,v=ACu=AB, v=AC מתקיים ∣u∣=6,∣v∣=10|u|=6, |v|=10 והזווית BAC=120∘BAC=120^{\circ}. חשבו את שטח המשולש.

את הזווית מצאנו מהמכפלה הסקלרית; ה-sin מתקבל מ-cos לפי הזהות הטריגונומטרית.

1

שלב 1 — נוסחת שטח

שטח משולש =12⋅∣AB∣⋅∣AC∣⋅sin⁡(BAC)= \frac{1}{2} \cdot |AB| \cdot |AC| \cdot \sin (BAC).

בדיקה מהירה

תשובה מספרית

נתונים שני וקטורים שאורכיהם ∣u∣=6|u|=6 ו-∣v∣=5|v|=5, והזווית ביניהם 60∘60^{\circ}. חשבו את המכפלה הסקלרית u⋅vu \cdot v.

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם

תשובה מספרית

נתון שהמכפלה הסקלרית של שני וקטורים היא u⋅v=12u \cdot v = 12, ואורכיהם ∣u∣=4,∣v∣=6|u|=4, |v|=6. חשבו את הזווית בין הווקטורים (במעלות).

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם

תשובה מספרית

במשולש ABC נסמן u=AB,v=ACu=AB, v=AC. נתון ∣u∣=6,∣v∣=10|u|=6, |v|=10 והזווית BAC=120∘BAC=120^{\circ}. חשבו את שטח המשולש ABC (עגלו לשתי ספרות אחרי הנקודה).

סטייה מותרת: ±0.05

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


טעויות נפוצות

טעות נפוצה: חושבים שהמכפלה הסקלרית היא וקטור

— אגף ימין הוא מכפלת מספרים, ולכן התוצאה מספר.

למה זה קורה?

השם 'מכפלה' מטעה — נדמה שהתוצאה דומה לווקטורים שכופלים.

איך מתקנים?

u⋅vu \cdot v הוא מספר (סקלר). לכן אפשר לחבר אותו למספרים, אך לא 'לכפול בו וקטור' כמו בכפל בסקלר רגיל בלי תשומת לב.

טעות נפוצה: לוקחים את הווקטורים בכיוון הלא נכון

לזווית משתמשים ב- ו-. שימוש ב- הופך את סימן ה-cos.

למה זה קורה?

כדי לחשב זווית BAC בוחרים בטעות BA במקום AB, מה שהופך את הסימן.

איך מתקנים?

הזווית בקודקוד A נמדדת בין הווקטורים שיוצאים מ-A: כלומר AB ו-AC (לא BA).

טעות נפוצה: מבלבלים בין u⋅v=0u \cdot v=0 לבין סימן המכפלה

. הסימן (חיובי/שלילי) מבחין בין חדה לקהה.

למה זה קורה?

לא זוכרים מה כל מצב אומר על הזווית.

איך מתקנים?

u⋅v=0u \cdot v=0 בדיוק כשהזווית ישרה (ניצבות).u⋅v>0⟸. u \cdot v>0 ⟸ זווית חדה; u⋅v<0⟸u \cdot v<0 ⟸ זווית קהה.

סיכום

מה למדנו?

  • הגדרה: — התוצאה סקלר.
  • אורך: .
  • זווית: .
  • ניצבות: .
  • כללי הכפל המקוצר מאפשרים לחשב אורכים של סכומים והפרשי וקטורים, ומכאן שטחי צורות.

זכרו: סימן המכפלה מספר לכם על סוג הזווית. בשיעור הבא נרחיב את הניצבות למרחב — וקטור המאונך למישור שלם.


תרגול נוסף

עברו לתרגול כדי להתאמן על חישוב מכפלה סקלרית, מציאת זוויות, בדיקת ניצבות וחישובי שטחים!

תרגול