Vektorová notace - Vector notation
Vektorová notace | |
---|---|
| |
|
Vektorová notace je běžně používaný matematická notace pro práci s matematickými vektory,[1][2] což může být geometrické vektory nebo členů z vektorové prostory.
Pro reprezentaci vektoru je běžné typografická konvence je malá písmena, svisle tučně, jako v u, proti a w.[3] The Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) doporučuje buď tučné kurzíva patkové písmo, jako v proti nebo A, nebo netučná kurzíva patkové písmo s diakritikou pravou šipkou, jako v nebo .[4] Tato šipková notace pro vektory se běžně používá v rukopisu, kde je tučné písmo nepraktické. Šipka představuje doprava směřující šipka nebo harpuny. Zkratkové notace zahrnout tildes a rovné čáry umístěny jednotlivě pod nebo nad název vektoru.
V pokročilé matematice jsou vektory často reprezentovány jednoduchým kurzívou, jako každý jiný proměnná.
Dějiny
Koncept a vektor byl vytvořen W. R. Hamilton kolem roku 1843, jak prozradil čtveřice, systém, který využívá vektory a skaláry k překlenutí čtyřrozměrného prostoru. Pro čtveřici q = A + bi + Cj + dk, Hamilton použil dvě projekce: S q = A, pro skalární část q, a PROTI q = bi + Cj + dk, vektorová část. Používáme moderní pojmy křížový produkt (×) a Tečkovaný produkt (.) čtvercový produkt dvou vektorů str a q lze psát pq = –str.q + str×q. V roce 1878 W. K. Clifford oddělil tyto dva produkty, aby byla operace čtveřice užitečná pro studenty v jeho učebnici Dynamické prvky. Přednášet na univerzita Yale, Josiah Willard Gibbs dodaný zápis pro skalární součin a vektorové produkty, který byl představen v Vektorová analýza.[5]
V roce 1891 Oliver Heaviside argumentoval pro Clarendon rozlišit vektory od skalárů. Kritizoval použití Řecká písmena podle Taita a Gotická písmena podle Maxwella.[6]
V roce 1912 J.B. Shaw přispěl do své "Srovnávací notace pro vektorové výrazy" Bulletin z Quaternion Society.[7] Následně Alexander Macfarlane popsáno 15 kritérií pro jasnou expresi s vektory ve stejné publikaci.[8]
Vektorové nápady byly rozšířeny o Hermann Grassmann v roce 1841 a znovu v roce 1862 v německý jazyk. Němečtí matematici však nebyli bráni s čtveřicemi natolik jako anglicky mluvící matematici. Když Felix Klein organizoval Německá matematická encyklopedie, přidělil Arnold Sommerfeld standardizovat vektorovou notaci.[9] V roce 1950, kdy Akademický tisk zveřejnil překlad G. Kuerti druhého vydání svazku 2 z Přednášky z teoretické fyziky Sommerfelda byla vektorová notace předmětem poznámky pod čarou: „V původním německém textu vektory a jejich součásti jsou vytištěny ve stejných gotických typech. Pro tento překlad byl použit obvyklejší způsob typografického rozlišení mezi těmito dvěma. “[10]
Obdélníkové vektory


Obdélníkový vektor je a vektor souřadnic specifikovány komponenty, které definují a obdélník (nebo obdélníkový hranol ve třech rozměrech a podobné tvary ve větších rozměrech). Počáteční bod a koncový bod vektoru leží na opačných koncích obdélníku (nebo hranolu atd.).
Objednaná množinová notace
Obdélníkový vektor v lze určit pomocí objednaného soubor součástí v závorkách nebo v hranatých závorkách.
V obecném smyslu, n-dimenzionální vektor proti lze zadat v jedné z následujících forem:
Kde proti1, proti2, …, protin − 1, protin jsou komponenty proti.[11]
Maticová notace
Obdélníkový vektor v lze také zadat jako řádek nebo sloupec matice obsahující objednanou sadu komponent. Vektor určený jako řádková matice je znám jako a řádek vektor; jeden zadaný jako sloupcová matice je známý jako a vektor sloupce.
Opět platí, že n-dimenzionální vektor lze zadat v jedné z následujících forem pomocí matic:
kde proti1, proti2, …, protin − 1, protin jsou komponenty proti. V některých pokročilých kontextech mají vektor řádku a sloupce jiný význam; vidět kovariance a kontravariance vektorů více.
Jednotková vektorová notace
Obdélníkový vektor v (nebo méně rozměrů, například kde protiz níže je nula) lze specifikovat jako součet skalárních násobků složek vektoru s členy standardu základ v . Základ představuje jednotkové vektory , , a .
Trojrozměrný vektor lze zadat v následujícím formuláři pomocí zápisu jednotkového vektoru:
Kde protiX, protiy, a protiz jsou skalární složky proti. Skalární komponenty mohou být pozitivní nebo negativní; absolutní hodnota skalární složky je její velikost.
Polární vektory

Dva polární souřadnice bodu v rovině lze považovat za dvourozměrný vektor. Takový polární vektor sestává z a velikost (nebo délka) a směr (nebo úhel). Velikost, obvykle reprezentována jako r, je vzdálenost od počátečního bodu, původ, do bodu, který je znázorněn. Úhel, obvykle reprezentovaný jako θ (dále jen řecký dopis theta ), je úhel, obvykle měřený proti směru hodinových ručiček, mezi pevným směrem, obvykle pozitivním X-osa a směr od počátku k bodu. Úhel je obvykle zmenšen, aby ležel v rozsahu radiány nebo .
Je třeba zdůraznit, že a polární vektor ve skutečnosti není vektor, protože přidání dvou polárních vektorů není definována.
Uspořádané množinové a maticové notace
Polární vektory lze specifikovat buď pomocí zápisu uspořádaných párů (podmnožina zápisu uspořádaných množin pomocí pouze dvou komponent), nebo maticového zápisu, jako u obdélníkových vektorů. V těchto formách je první složka vektoru r (namísto proti1) a druhá složka je θ (namísto proti2). Pro rozlišení polárních vektorů od obdélníkových vektorů může být úhel opatřen předponou se symbolem úhlu, .
Dvourozměrný polární vektor proti může být reprezentován jako některý z následujících, a to buď pomocí uspořádaného páru nebo maticového zápisu:
kde r je velikost, θ je úhel a symbol úhlu () je volitelný.
Přímá notace
Polární vektory lze také určit pomocí zjednodušených autonomních rovnic, které definují r a θ výslovně. To může být nepraktické, ale je to užitečné pro zabránění záměny s dvourozměrnými obdélníkovými vektory, které vznikají při použití seřazené dvojice nebo maticové notace.
Dvourozměrný vektor, jehož velikost je 5 jednotek a jehož směr je π/ 9 radiánů (20 °), lze určit pomocí jedné z následujících forem:
Válcové vektory

Válcový vektor je rozšířením konceptu polárních vektorů do tří dimenzí. Je to podobné jako šipka v válcový souřadnicový systém. Válcový vektor je určen vzdáleností v xy-rovina, úhel a vzdálenost od xy-rovina (výška). První vzdálenost, obvykle reprezentována jako r nebo ρ (řecké písmeno rho ), je velikost projekce vektoru na xy-letadlo. Úhel, obvykle reprezentovaný jako θ nebo φ (řecké písmeno phi ), se měří jako posun od přímky kolineární s X-osa v kladném směru; úhel je obvykle zmenšen, aby ležel v rozsahu . Druhá vzdálenost, obvykle reprezentována jako h nebo z, je vzdálenost od xy-rovina ke koncovému bodu vektoru.
Uspořádané množinové a maticové notace
Válcové vektory jsou specifikovány jako polární vektory, kde je druhá složka vzdálenosti zřetězené jako třetí komponenta k vytvoření uspořádaných tripletů (opět podmnožina notace seřazené množiny) a matic. Úhel může být označen symbolem úhlu (); kombinace vzdálenost-úhel-vzdálenost odlišuje válcové vektory v této notaci od sférických vektorů v podobné notaci.
Trojrozměrný válcový vektor proti lze reprezentovat jako kteroukoli z následujících, a to buď pomocí uspořádaného tripletového nebo maticového zápisu:
Kde r je velikost projekce proti na xy-letadlo, θ je úhel mezi kladným X- osa a proti, a h je výška od xy- letadlo do koncového bodu proti. Opět symbol úhlu () je volitelný.
Přímá notace
Válcový vektor lze také zadat přímo pomocí zjednodušených autonomních rovnic, které definují r (nebo ρ), θ (nebo φ), a h (nebo z). Konzistence by měla být použita při výběru názvů, které se mají použít pro proměnné; ρ by neměl být smíchán s θ a tak dále.
Trojrozměrný vektor, jehož velikost se promítá na xy-rovina je 5 jednotek, jejichž úhel je kladný X-os je π/ 9 radiánů (20 °) a jejichž výška od xy-letadlo je 3 jednotky lze specifikovat v kterékoli z následujících forem:
Sférické vektory

Sférický vektor je další metoda pro rozšíření konceptu polárních vektorů do tří dimenzí. Je to podobné jako šipka v sférický souřadný systém. Sférický vektor je určen velikostí, azimutovým úhlem a zenitovým úhlem. Velikost je obvykle reprezentována jako ρ. Úhel azimutu, obvykle reprezentovaný jako θ, je (proti směru hodinových ručiček) posun od kladného X-osa. Úhel zenitu, obvykle reprezentovaný jako φ, je offset od kladného z-osa. Oba úhly jsou obvykle zmenšeny tak, aby ležely v rozsahu od nuly (včetně) do 2π (výhradní).
Uspořádané množinové a maticové notace
Sférické vektory jsou specifikovány jako polární vektory, kde je zenitový úhel zřetězen jako třetí složka pro vytvoření uspořádaných tripletů a matic. Úhel azimutu a zenitu může být předponou se symbolem úhlu (); předpona by měla být konzistentně použita k vytvoření kombinace vzdálenost-úhel-úhel, která odlišuje sférické vektory od válcových.
Trojrozměrný sférický vektor proti lze reprezentovat jako kteroukoli z následujících, a to buď pomocí uspořádaného tripletového nebo maticového zápisu:
Kde ρ je velikost, θ je úhel azimutu a φ je zenitový úhel.
Přímá notace
Stejně jako polární a válcové vektory lze sférické vektory specifikovat pomocí zjednodušených autonomních rovnic, v tomto případě pro ρ, θ, a φ.
Trojrozměrný vektor, jehož velikost je 5 jednotek a jehož úhel azimutu je π/ 9 radiánů (20 °) a jejichž zenitový úhel je π/ 4 radiány (45 °) lze specifikovat jako:
Operace
V každém z nich vektorový prostor, jsou definovány operace sčítání vektorů a skalární násobení. Normované vektorové prostory také definovat operaci známou jako norma (nebo stanovení velikosti). Vnitřní produktové prostory definujte také operaci známou jako vnitřní produkt. v , vnitřní produkt je znám jako Tečkovaný produkt. v a , další operace známá jako křížový produkt je také definován.
Vektorové přidání
Vektorové přidání je reprezentován znaménkem plus použitým jako operátor mezi dvěma vektory. Součet dvou vektorů u a proti bude reprezentován jako:[3]
Skalární násobení
Skalární násobení je reprezentován stejným způsobem jako algebraické násobení. Skalár vedle vektoru (jeden nebo oba mohou být v závorkách) znamená skalární násobení. Dva běžné operátory, tečka a otočený kříž, jsou také přijatelné (i když se otočený kříž téměř nikdy nepoužívá), ale riskují záměnu s bodovými produkty a křížovými produkty, které fungují na dvou vektorech. Produkt skaláru k s vektorem proti mohou být zastoupeny v kterékoli z následujících módů:
Vektorové odčítání a skalární dělení
Pomocí algebraických vlastností odčítání a dělení, spolu se skalárním násobením, je také možné „odečíst“ dva vektory a „rozdělit“ vektor skalárem.
Odčítání vektoru se provádí přidáním skalárního násobku -1 s druhým vektorovým operandem k prvnímu vektorovému operandu. To lze vyjádřit použitím znaménka mínus jako operátora. Rozdíl mezi dvěma vektory u a proti mohou být zastoupeny v jedné z následujících módů:
Skalární dělení se provádí vynásobením vektorového operandu numerickou inverzí skalárního operandu. To může být vyjádřeno použitím zlomku nebo dělení jako operátorů. Kvocient vektoru proti a skalární C mohou být zastoupeny v kterékoli z následujících forem:
Norma
The norma vektoru je reprezentován dvojitými pruhy na obou stranách vektoru. Norma vektoru proti lze reprezentovat jako:[3]
Norma je také někdy reprezentována jednoduchými pruhy, jako , ale to lze zaměnit s absolutní hodnota (což je typ normy).
Vnitřní produkt
The vnitřní produkt dvou vektorů (také známých jako skalární součin, který nelze zaměňovat se skalárním násobením) je reprezentován jako uspořádaný pár uzavřený v úhlových závorkách. Vnitřní produkt dvou vektorů u a proti bude reprezentován jako:[3]
Tečkovaný produkt
v , vnitřní produkt je také známý jako Tečkovaný produkt. Kromě standardní vnitřní produktové notace lze použít i tečkovou produktovou notaci (používající tečku jako operátor) (a je běžnější). Tečkový produkt dvou vektorů u a proti lze reprezentovat jako:[3]
V některé starší literatuře je tečkový součin implikován mezi dvěma vektory psanými vedle sebe. Tuto notaci lze zaměnit s dyadický produkt mezi dvěma vektory.
Křížový produkt
The křížový produkt dvou vektorů (v ) je znázorněn pomocí otočeného kříže jako operátor. Křížový produkt dvou vektorů u a proti bude reprezentován jako:[3]
Podle některých konvencí (např. Ve Francii a v některých oblastech vyšší matematiky) je to označováno také klínem,[12] což zamezuje záměně s klínový produkt protože dva jsou funkčně ekvivalentní ve třech rozměrech:
V některé starší literatuře se pro křížový produkt používá následující zápis u a proti:
Nabla
Vektorová notace se používá s počet skrz Operátor Nabla:
Se skalární funkcí F, spád je psán jako
s vektorovým polem, F the divergence je psán jako
a s vektorovým polem, F the kučera je psán jako
Viz také
Reference
- ^ Principy a aplikace matematiky pro komunikační elektroniku. 1992. str. 123.
- ^ Rakev, Joseph George (1911). Vektorová analýza. J. Wiley & synové.
- ^ A b C d E F G h „Úplný seznam symbolů algebry“. Matematický trezor. 2020-03-25. Citováno 2020-08-19.
- ^ „ISO 80000-2: 2019 Veličiny a jednotky - Část 2: Matematika“. Mezinárodní organizace pro normalizaci. Srpna 2019.
- ^ Edwin Bidwell Wilson (1901) Vektorová analýza založená na přednáškách J. W. Gibbse na Internetový archiv
- ^ Oliver Heaviside, Elektrický deník, Svazek 28. James Gray, 1891. 109 (alt )
- ^ J.B. Shaw (1912) Srovnávací notace pro vektorové výrazy, Bulletin z Quaternion Society přes Hathi Trust.
- ^ Alexander Macfarlane (1912) Systém notace pro vektorovou analýzu; s diskusí o základních principech z Bulletin společnosti Quaternion
- ^ Karin Reich (1995) Die Rolle Arnold Sommerfeld bei der Diskussion um die Vektorrechnung
- ^ Mechanika deformovatelných těl, str. 10, v Knihy Google
- ^ Weisstein, Eric W. "Vektor". mathworld.wolfram.com. Citováno 2020-08-19.
- ^ Cajori, Florian (2011). Historie matematických notací. Dover Publications. str. 134 (sv. 2). ISBN 9780486161167.