Скалярний добуток і кут між векторами
~15 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + хімія.
Обчислюй скалярний добуток векторів за координатами та через модулі й кут між ними. Знаходь косинус і величину кута, визначай параметр, за якого вектори перпендикулярні.
Кут між двома ненульовими векторами визначають так: вектори відкладають від однієї точки й вимірюють менший з утворених кутів. За означенням цей кут лежить у межах від 0° до 180° включно.
Якщо вектори напрямлені в один бік, то кут між ними дорівнює 0° — їх називають співнапрямленими. Якщо вектори напрямлені в протилежні боки, кут дорівнює 180° — це протилежно напрямлені вектори. Якщо кут дорівнює 90°, вектори називають перпендикулярними.
Скалярний добуток: означення через модулі й кут
Скалярним добутком двох ненульових векторів a і b називають число, що дорівнює добутку їхніх модулів на косинус кута між ними:
a · b = |a| · |b| · cos φ
Тут φ — кут між векторами a і b. Важливо запам'ятати: результатом скалярного добутку є число, а не вектор.
Приклади обчислення
Модулі векторів | Кут φ | cos φ | a · b |
|---|---|---|---|
|a| = 4, |b| = 3 | 60° | 1/2 | 6 |
|a| = 4, |b| = 3 | 120° | −1/2 | −6 |
|a| = 4, |b| = 3 | 90° | 0 | 0 |
|a| = √2, |b| = 5 | 135° | −√2/2 | −5 |
Зверни увагу на останній рядок: |a| = √2, |b| = 5, cos 135° = −√2/2, тому a · b = √2 · 5 · (−√2/2) = 5 · (−2/2) = −5.
Знак скалярного добутку й вид кута
Оскільки модулі векторів завжди додатні, знак скалярного добутку визначається знаком косинуса кута. Це дає простий спосіб визначити вид кута між ненульовими векторами без обчислення самого кута:
a · b > 0 ⇔ кут гострий або дорівнює 0° (0° ≤ φ < 90°)
a · b = 0 ⇔ кут прямий (φ = 90°)
a · b < 0 ⇔ кут тупий або розгорнутий (90° < φ ≤ 180°)
Скалярний квадрат
Скалярний добуток вектора самого на себе називають скалярним квадратом. Оскільки кут між вектором і ним самим дорівнює 0°, а cos 0° = 1, маємо:
a · a = |a| · |a| · 1 = |a|²
Отже, a · a = |a|². Цю властивість часто використовують, щоб знайти модуль вектора, знаючи його скалярний квадрат.
Кут між векторами в геометричній фігурі
Розгляньмо рівносторонній трикутник ABC зі стороною 2. Знайдемо скалярні добутки пар векторів, утворених сторонами.
Візьмемо вектори AB і AC. Вони виходять з однієї вершини A, тому кут між ними — це кут A трикутника, який у рівносторонньому трикутнику дорівнює 60°. Отже:
AB · AC = 2 · 2 · cos 60° = 4 · 1/2 = 2
Тепер розгляньмо вектори AB і BC. Вони не виходять з однієї точки — AB починається в A, а BC починається в B. Щоб знайти кут між ними, уявно перенесемо вектор BC в точку A так, щоб його початок збігався з початком AB. Між стороною AB і стороною BC трикутника кут B дорівнює 60°, але вектори AB і BC, відкладені від однієї точки, утворюють зовнішній кут 120° (продовження AB дає суміжний кут). Тому:
AB · BC = 2 · 2 · cos 120° = 4 · (−1/2) = −2
Кут між векторами AB і BC дорівнює 180° − ∠B, а не самому куту B. Завжди перевіряй, чи виходять вектори з однієї точки!
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Скалярний добуток часто обчислюють за координатами векторів. Якщо вектори задано на площині координатами a(x₁; y₁) і b(x₂; y₂), то скалярний добуток дорівнює сумі добутків відповідних координат:
a · b = x₁x₂ + y₁y₂
Це теж число — не плутай із записом координат вектора!
Найпростіший приклад
Нехай a(3; −2), b(4; 5). Тоді:
a · b = 3 · 4 + (−2) · 5 = 12 + (−10) = 2
Довідкові матеріали на НМТ
У довідкових матеріалах, якими можна користуватися на НМТ, формула скалярного добутку записана для простору: x₁x₂ + y₁y₂ + z₁z₂. На площині просто відкидай третій доданок — він дорівнює нулю, бо z-координати відсутні.
Скалярний добуток з лінійною комбінацією
Іноді в завданні спочатку потрібно виконати дії з векторами, а вже потім обчислити скалярний добуток.
Приклад. Дано a(1; 2), b(3; −1). Знайдіть (2a − b) · b.
Крок 1. Знайдемо координати вектора 2a − b:
2a = (2·1; 2·2) = (2; 4)
2a − b = (2 − 3; 4 − (−1)) = (−1; 5)
Крок 2. Обчислимо скалярний добуток:
(2a − b) · b = (−1)·3 + 5·(−1) = −3 − 5 = −8
Скалярний квадрат у координатах
Скалярний квадрат вектора в координатах обчислюють за тією ж формулою:
a · a = x₁·x₁ + y₁·y₁ = x₁² + y₁² = |a|²
Це дає зручний спосіб знаходити модуль вектора: |a| = √(x₁² + y₁²).
Наприклад, для a(3; −4):
a · a = 3² + (−4)² = 9 + 16 = 25, звідки |a| = √25 = 5.
Вектор | Скалярний квадрат | Модуль |
|---|---|---|
a(3; −4) | 25 | 5 |
b(−1; 2) | 5 | √5 |
c(0; 6) | 36 | 6 |
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Знаючи скалярний добуток і модулі векторів, можна знайти косинус кута між ними. Формула косинуса кута між векторами:
cos φ = (a · b) / (|a| · |b|)
Якщо вектори задано координатами, отримуємо розгорнутий вираз:
cos φ = (x₁x₂ + y₁y₂) / (√(x₁² + y₁²) · √(x₂² + y₂²))
Цю формулу легко вивести з означення скалярного добутку. Запам'ятай її — вона знадобиться в завданнях профільного рівня.
Приклади знаходження кута
Приклад 1. a(1; 0), b(1; 1).
a · b = 1·1 + 0·1 = 1. |a| = √(1² + 0²) = 1. |b| = √(1² + 1²) = √2.
cos φ = 1 / (1 · √2) = 1/√2. Отже, φ = 45°.
Приклад 2. a(3; 4), b(4; 3).
a · b = 3·4 + 4·3 = 12 + 12 = 24. |a| = √(9 + 16) = 5. |b| = √(16 + 9) = 5.
cos φ = 24 / (5 · 5) = 24/25. Кут гострий, cos φ близький до 1, тому сам кут малий.
Умова перпендикулярності векторів
Для перпендикулярних векторів кут дорівнює 90°, а cos 90° = 0. Тому з формули a · b = |a| · |b| · cos φ отримуємо найважливішу умову:
Ненульові вектори a і b перпендикулярні тоді й тільки тоді, коли a · b = 0.
У координатах це означає: x₁x₂ + y₁y₂ = 0.
Знаходження параметра
Поширений тип завдання: дано вектори, один із яких містить невідомий параметр m. Потрібно знайти m, за якого вектори перпендикулярні.
Приклад. Вектори a(2; −3) і b(m; 4). Запишемо умову перпендикулярності:
a · b = 0 ⇒ 2·m + (−3)·4 = 0 ⇒ 2m − 12 = 0 ⇒ m = 6.
Кут трикутника за координатами вершин
Щоб знайти кут трикутника, заданого координатами вершин, потрібно взяти вектори, що виходять з його вершини.
Приклад. A(1; 1), B(4; 1), C(1; 5). Знайдемо ∠B.
Крок 1. Знаходимо координати векторів, що виходять із вершини B:
BA = (1 − 4; 1 − 1) = (−3; 0)
BC = (1 − 4; 5 − 1) = (−3; 4)
Крок 2. Обчислюємо скалярний добуток і модулі:
BA · BC = (−3)·(−3) + 0·4 = 9
|BA| = √((−3)² + 0²) = 3; |BC| = √((−3)² + 4²) = √25 = 5
Крок 3. Знаходимо косинус:
cos B = 9 / (3 · 5) = 0,6
Отже, ∠B = arccos 0,6.
Перпендикулярність і колінеарність — не плутай!
Перпендикулярність і колінеарність — різні поняття. Запам'ятай відмінність:
Властивість | Перпендикулярність | Колінеарність |
|---|---|---|
Умова | x₁x₂ + y₁y₂ = 0 | x₁/x₂ = y₁/y₂ (пропорція) |
Приклад | a(2; 1), b(−1; 2): 2·(−1) + 1·2 = 0 | a(2; 1), b(4; 2): 4/2 = 2/1 |
Кут | 90° | 0° або 180° |
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Скалярний добуток за координатами
Умова. Дано вектори a(−2; 3) і b(4; 1). Знайдіть a · b.
Розв'язання. Обчислюємо за формулою a · b = x₁x₂ + y₁y₂:
a · b = (−2)·4 + 3·1 = −8 + 3 = −5
Відповідь: −5.
Розбір дистракторів.
Варіант «(−8; 3)» — помилка: записали не число, а вектор. Скалярний добуток — завжди число.
Варіант «11» — сума модулів добутків: |−8| + |3| = 11. Модулі тут ні до чого.
Варіант «5» — помилка в знаку: −8 + 3 порахували як 8 − 3 = 5.
Варіант «−11» — помилка: −8 − 3 взяли замість −8 + 3.
Приклад 2. Параметр перпендикулярності
Умова. При якому значенні m вектори a(3; −2) і b(m; 6) перпендикулярні?
Розв'язання. Записуємо умову перпендикулярності: a · b = 0.
3·m + (−2)·6 = 0 ⇒ 3m − 12 = 0 ⇒ 3m = 12 ⇒ m = 4
Відповідь: 4.
Типові пастки.
Відповідь −4 — помилка в знаку: 3m + 12 = 0 ⇒ m = −4. Але (−2)·6 = −12, а не +12.
Відповідь −9 — плутанина з колінеарністю: пропорція 3/m = −2/6 дає m = −9.
Приклад 3. Скалярний добуток через кут
Умова. |a| = 2, |b| = 5, кут між векторами дорівнює 120°. Знайдіть a · b.
Розв'язання. Використовуємо формулу a · b = |a| · |b| · cos φ.
cos 120° = −1/2.
a · b = 2 · 5 · (−1/2) = 10 · (−1/2) = −5
Відповідь: −5.
Розбір дистракторів.
5 — узяли cos 120° = +1/2 замість −1/2.
5√3 або −5√3 — використали sin 120° = √3/2 замість cos 120°.
10 — просто перемножили модулі без косинуса: 2·5 = 10.
Приклад 4. Кут трикутника за координатами
Умова. Дано вершини трикутника A(1; 2), B(4; 6), C(5; −1). Знайдіть градусну міру кута BAC.
Розв'язання. Кут BAC — це кут при вершині A. Беремо вектори, що виходять з точки A: AB і AC.
AB = (4 − 1; 6 − 2) = (3; 4)
AC = (5 − 1; −1 − 2) = (4; −3)
Обчислюємо скалярний добуток: AB · AC = 3·4 + 4·(−3) = 12 − 12 = 0.
Оскільки скалярний добуток дорівнює нулю, вектори AB і AC перпендикулярні, отже кут BAC = 90°.
Відповідь: 90.
Приклад 5. Кут між векторами за координатами
Умова. Знайдіть кут між векторами a(1; −1) і b(2; 0).
Розв'язання. Використовуємо формулу cos φ = (a · b) / (|a| · |b|).
a · b = 1·2 + (−1)·0 = 2
|a| = √(1² + (−1)²) = √2
|b| = √(2² + 0²) = 2
cos φ = 2 / (√2 · 2) = 1/√2 = √2/2
Отже, φ = 45°.
Відповідь: 45°.
Розбір дистракторів.
135° — помилка в знаку: якщо взяти a · b = −2, то cos φ = −√2/2, φ = 135°.
90° — плутанина: прирівняли добуток 2 до нуля.
60° — cos 60° = 1/2, а в нас √2/2.
30° — cos 30° = √3/2, не збігається.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Нижче наведено найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час обчислення скалярного добутку та кутів між векторами. Уважно прочитай кожну — це допоможе не втратити бали на НМТ.
Запис скалярного добутку як вектора. Помилка: пишуть (x₁x₂; y₁y₂) замість числа x₁x₂ + y₁y₂. Скалярний добуток — це число, а не вектор!
Плутанина sin і cos у формулі через кут. У формулі a · b = |a|·|b|·cos φ беруть sin φ. Особливо небезпечно для кутів 60° (sin 60° = √3/2, cos = 1/2) і 120° (sin 120° = √3/2, cos = −1/2). Запам'ятай: у скалярному добутку завжди косинус!
cos 120° = +1/2. Часто забувають, що cos 120° від'ємний. Правильно: cos 120° = −1/2.
Кут між векторами AB і BC вважають кутом B трикутника. Вектори AB і BC не виходять з однієї точки — AB починається в A, BC — у B. Кут між ними дорівнює 180° − ∠B. Щоб знайти кут B, бери вектори BA і BC, які обидва виходять з вершини B.
Плутають умову перпендикулярності з умовою колінеарності. Перпендикулярність: x₁x₂ + y₁y₂ = 0 (сума добутків дорівнює нулю). Колінеарність: x₁/x₂ = y₁/y₂ (пропорційні координати). Не плутай ці дві різні умови!
У формулі косинуса ділять на суму модулів. Правильно: cos φ = a·b / (|a|·|b|) — ділимо на добуток модулів, а не на суму (|a| + |b|).
Вважають від'ємний скалярний добуток помилкою. Від'ємний скалярний добуток — це нормально, він означає, що кут між векторами тупий або розгорнутий (більший за 90°).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тема «Кут між векторами; скалярний добуток векторів» належить до теми «Координати та вектори на площині» (розділ «Планіметрія») програми НМТ з математики. Властивості скалярного добутку, формула кута між векторами в координатах і умова перпендикулярності в координатах належать до профільного рівня (П).
Довідкові матеріали
На НМТ дозволено користуватися довідковими матеріалами. У них формула скалярного добутку записана для тривимірного простору: x₁x₂ + y₁y₂ + z₁z₂. На площині просто відкидай доданок із z.
Формати завдань
Завдання 1–15 — вибір однієї відповіді з п'яти (А–Д). 0 або 1 бал. Тут можуть запропонувати обчислити скалярний добуток за координатами або через модулі й кут, знайти косинус кута або сам кут між векторами.
Завдання 19–22 — коротка відповідь. 0 або 2 бали (без часткових балів). Тут теж можна отримати задачу на знаходження параметра m, за якого вектори перпендикулярні, або на обчислення скалярного добутку. Відповідь записують десятковим дробом; якщо число від'ємне — зі знаком «мінус» перед першою цифрою.
Стратегія виконання
Завжди перевіряй результат знаком. Якщо отримав від'ємний скалярний добуток, але за умовою кут гострий — шукай помилку в обчисленнях.
У завданні з параметром спочатку запиши умову перпендикулярності (a · b = 0), потім розв'яжи рівняння.
Якщо треба знайти кут трикутника — обов'язково візьми вектори, що виходять з однієї вершини.
Не плутай скалярний добуток (число) з координатами вектора-результату (їх дві).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому скалярний добуток — число, а не вектор?
Тому що в означенні a · b = |a| · |b| · cos φ усі величини (модулі векторів і косинус кута) — числа. Добуток чисел дає число. У координатній формі a · b = x₁x₂ + y₁y₂ — це теж сума добутків координат, тобто число. Скалярний добуток — це скалярна (числова) характеристика пари векторів.
Що означає від'ємний скалярний добуток?
Від'ємний скалярний добуток ненульових векторів означає, що кут між ними тупий або розгорнутий (більший за 90° і не більший за 180°). Це випливає з формули a · b = |a|·|b|·cos φ: модулі векторів додатні, тому знак добутку збігається зі знаком cos φ. cos φ < 0, коли 90° < φ ≤ 180°. Не лякайся від'ємної відповіді — це природний результат для тупого або розгорнутого кута.
Як знайти кут між векторами, якщо відомі лише їхні координати?
Скористайся формулою cos φ = (x₁x₂ + y₁y₂) / (√(x₁² + y₁²) · √(x₂² + y₂²)). Спочатку обчисли скалярний добуток за координатами, потім модулі кожного вектора, поділи перше на добуток модулів — отримаєш cos φ. За значенням косинуса визнач кут: 0° (cos = 1), 30° (√3/2), 45° (√2/2), 60° (1/2), 90° (0), 120° (−1/2), 135° (−√2/2), 180° (−1).
Чи може скалярний добуток ненульових векторів дорівнювати нулю?
Так, і це дуже важливий випадок. Якщо ненульові вектори перпендикулярні, то кут між ними дорівнює 90°, а cos 90° = 0, тому a · b = 0. Ця властивість — основа для перевірки перпендикулярності векторів. Зверни увагу: твердження працює в обидва боки — якщо a · b = 0 і вектори ненульові, то вони перпендикулярні.
Чому кут між векторами AB і BC не дорівнює куту B трикутника?
Тому що вектори AB і BC не виходять з однієї точки: AB починається в точці A, а BC — у точці B. Щоб знайти кут між ними, один із векторів треба уявно перенести, і тоді виявиться, що вони утворюють кут 180° − ∠B (зовнішній кут трикутника). Щоб знайти саме кут B трикутника, бери вектори BA і BC — вони обидва виходять з вершини B.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
a · b = |a| · |b| · cos φ = x₁x₂ + y₁y₂ — це число, а не вектор.
Знак a · b показує вид кута: додатний — гострий (або 0°), нуль — прямий, від'ємний — тупий (або 180°).
a ⊥ b ⇔ a · b = 0 — умова перпендикулярності ненульових векторів.
cos φ = (a · b) / (|a| · |b|) — формула косинуса кута між векторами.
a · a = |a|² — скалярний квадрат дорівнює квадрату модуля.
Для кута трикутника бери вектори, що виходять з його вершини. Наприклад, для ∠B бери BA і BC.
Не плутай перпендикулярність (сума добутків координат дорівнює нулю) з колінеарністю (координати пропорційні).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Дано вектори **a** і **b**. |**a**| = 6, |**b**| = 4, кут між векторами дорівнює 60°. Знайди **a** · **b**.
2. Ненульові вектори **a** і **b** не є протилежно напрямленими, а **a** · **b** = −15. Яким є кут між ними?
3. Дано вектори **a** і **b**. |**a**| = 3, |**b**| = 4, кут між векторами дорівнює 120°. Знайди **a** · **b**.
4. Знайди косинус кута між векторами **a**(1; 2) і **b**(3; 1).
5. Дано вектори **a**(4; −1) і **b**(2; 3). Знайди скалярний добуток **a** · **b**.
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест