חיבור, חיסור וכפל וקטור בסקלר
מבוא
מטרות השיעור
- לחבר שני וקטורים בכלל המשולש (ראש לזנב) ובכלל המקבילית (זנב משותף)
- להבין שגודל הסכום אינו סכום הגדלים — אי-שוויון המשולש
- להגדיר את הוקטור הנגדי ולחסר וקטורים:
- לכפול וקטור בסקלר (מספר ממשי) ולהבין את השפעתו על הגודל ועל הכיוון
- ליישם את הפעולות לחישוב אורכים (כולל משפט פיתגורס ומשפט הקוסינוסים)
הרעיון המרכזי
חיבור וקטורים — כלל המשולש
כדי לחבר את ו- בכלל המשולש: מציבים את זנב בראש (שרשור "ראש לזנב"). וקטור הסכום הוא הווקטור הסוגר את המשולש — מהזנב של אל הראש של .
ניסוח שימושי במיוחד (יחס שאל / relation de Chasles):
הנקודה האמצעית "מתבטלת" — תכונה שתשרת אותנו שוב ושוב בהוכחות גאומטריות.
חיבור וקטורים — כלל המקבילית
דרך שקולה: מציבים את ואת עם זנב משותף, משלימים מקבילית שבה הם שתי צלעות סמוכות, ואז וקטור הסכום הוא האלכסון היוצא מהנקודה המשותפת.
כלל המקבילית ממחיש מיד את חילופיות החיבור: אותו אלכסון מתקבל בין אם הולכים ואז ובין אם ואז , ולכן .
גודל הסכום ואי-שוויון המשולש
אזהרה חשובה: גודל וקטור הסכום אינו, בדרך כלל, סכום הגדלים. מתקיים תמיד אי-שוויון המשולש:
- הגבול העליון מושג רק כשהווקטורים מצביעים לאותו כיוון.
- הגבול התחתון מושג כשהם בכיוונים הפוכים.
- כשהם ניצבים, גודל הסכום מחושב בפיתגורס: .
חיסור וקטורים
הוקטור הנגדי הוא בעל אותו אורך כמו וכיוון הפוך. חיסור מוגדר כחיבור הנגדי:
ניסוח גאומטרי שימושי: אם לשני הווקטורים זנב משותף A, אז כלומר וקטור ההפרש מצביע מהראש של הווקטור המוחסר אל הראש של הווקטור שממנו מחסרים.
כפל וקטור בסקלר
כפל וקטור בסקלר (מספר ממשי) a נותן וקטור שמתנהג כך:
- הגודל מוכפל ב-|a|: כלומר .
- הכיוון נשמר אם a>0, ומתהפך אם a<0.
- אם a=0 מתקבל וקטור האפס.
לדוגמה ארוך פי 3 ובאותו כיוון, ואילו ארוך פי 2 ובכיוון הפוך.
דוגמאות מפורטות
דוגמה 1: כלל המשולש ויחס שאל
פשטו את הביטוי .
הנקודות האמצעיות מתבטלות בזו אחר זו — כלי מרכזי בהוכחות.
שלב 1 — מחברים את שני הראשונים
לפי כלל המשולש (חיבור וקטורים "ראש לזנב"), למה שווה הסכום ?
כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם
דוגמה 2: גודל סכום של וקטורים ניצבים
⃗u ו-⃗v ניצבים. מהו ?
שלב 1 — כלל המשולש
הווקטורים ⃗u ו-⃗v ניצבים זה לזה, כאשר ו-. מהו אורך וקטור הסכום ?
כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם
דוגמה 3: חיסור וקטורים
פשטו את ⃗AB − ⃗AC.
ההפרש מצביע מהראש של הווקטור המוחסר (C) אל הראש של הווקטור שממנו מחסרים (B).
שלב 1 — חיסור = חיבור הנגדי
למה שווה ההפרש ⃗AB − ⃗AC? (רמז: חיסור הוא חיבור הווקטור הנגדי)
כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם
דוגמה 4: כפל בסקלר וצירוף של פעולות
נתון . מהו אורך , ומהו כיוונו ביחס ל-⃗u?
זכרו: סקלר שלילי גם מאריך/מקצר וגם הופך כיוון.
שלב 1 — הגודל
בדיקה מהירה
נתונים שני וקטורים ⃗u ו-⃗v כך ש- ו-. מהו האורך המקסימלי האפשרי של וקטור הסכום ?
כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם
טעויות נפוצות
טעות נפוצה: חושבים ש- תמיד
— שוויון רק באותו כיוון.
למה זה קורה?
איך מתקנים?
טעות נפוצה: טועים בכיוון של ⃗u − ⃗v
— הסדר הופך את הכיוון.
למה זה קורה?
איך מתקנים?
טעות נפוצה: חושבים שסקלר שלילי רק מקטין את הווקטור
, והסימן קובע את הכיוון.
למה זה קורה?
איך מתקנים?
סיכום
מה למדנו?
- חיבור: כלל המשולש (ראש לזנב, ) וכלל המקבילית (זנב משותף, האלכסון).
- גודל הסכום מקיים את אי-שוויון המשולש; בניצבים — פיתגורס.
- חיסור: , ובזנב משותף .
- כפל בסקלר: ; הכיוון נשמר ל-a>0 ומתהפך ל-a<0.
בשיעור הבא נפרוש את האקסיומות — מערכת הכללים המלאה שמגדירה מרחב וקטורי — ונוכיח אותן.
תרגול נוסף
עברו לתרגול כדי לתרגל חיבור, חיסור וכפל בסקלר, וחישובי גודל של סכומים והפרשים!