Jump to content

Скалярное произведение

В математике скалярное произведение или скалярное произведение [примечание 1] — это алгебраическая операция , которая принимает две последовательности чисел одинаковой длины (обычно координатные векторы ) и возвращает одно число. В евклидовой геометрии скалярное произведение декартовых координат двух векторов широко используется . Его часто называют внутренним продуктом (или реже проекционным продуктом ) евклидова пространства , хотя это не единственный внутренний продукт, который можно определить в евклидовом пространстве ( см. Пространство внутреннего продукта подробнее ).

С алгебраической точки зрения скалярное произведение представляет собой сумму произведений соответствующих записей двух последовательностей чисел. Геометрически это произведение евклидовых величин двух векторов и косинуса угла между ними. Эти определения эквивалентны при использовании декартовых координат. В современной евклидовы геометрии пространства часто определяются с помощью векторных пространств . В этом случае скалярное произведение используется для определения длин (длина вектора — это квадратный корень скалярного произведения самого вектора) и углов (косинус угла между двумя векторами — это частное их скалярного произведения). произведением их длин).

Название «скалярное произведение» происходит от точечного оператора « · », который часто используется для обозначения этой операции; [1] альтернативное название «скалярное произведение» подчеркивает, что результатом является скаляр , а не вектор (как в случае векторного произведения в трехмерном пространстве).

Определение

[ редактировать ]

Скалярное произведение может быть определено алгебраически или геометрически. Геометрическое определение основано на понятиях угла и расстояния (величины) векторов. Эквивалентность этих двух определений основана на наличии декартовой системы координат для евклидова пространства.

В современных представлениях евклидовой геометрии точки пространства определяются в терминах их декартовых координат , а само евклидово пространство обычно отождествляется с реальным координатным пространством. . В таком представлении понятия длины и угла определяются посредством скалярного произведения. Длина вектора определяется как квадратный корень скалярного произведения вектора самого по себе, а косинус ( неориентированного) угла между двумя векторами длины один определяется как их скалярное произведение. Таким образом, эквивалентность двух определений скалярного произведения является частью эквивалентности классической и современной формулировок евклидовой геометрии.

Определение координат

[ редактировать ]

Скалярное произведение двух векторов и , указанный относительно ортонормированного базиса , определяется как: [2]

где обозначает суммирование и размерность векторного пространства . Например, в трехмерном пространстве скалярное произведение векторов и является:

Аналогично, скалярное произведение вектора с собой:

Если векторы отождествляются с векторами-столбцами , скалярное произведение также можно записать как матричное произведение.

где обозначает транспонирование .

Выражая приведенный выше пример таким образом, матрица 1 × 3 ( вектор-строка ) умножается на матрицу 3 × 1 ( вектор-столбец ), чтобы получить матрицу 1 × 1, которая идентифицируется своей уникальной записью:

Геометрическое определение

[ редактировать ]
Иллюстрация, показывающая, как найти угол между векторами с помощью скалярного произведения
Расчет валентных углов симметричной тетраэдрической молекулярной геометрии с использованием скалярного произведения

В евклидовом пространстве евклидов вектор это геометрический объект, обладающий как величиной, так и направлением. Вектор можно представить в виде стрелки. Его величина — это его длина, а его направление — это направление, куда указывает стрелка. Величина вектора обозначается . Скалярное произведение двух евклидовых векторов и определяется [3] [4] [1] где это угол между и .

В частности, если векторы и ортогональны равен (т.е. их угол или ), затем , что означает, что

С другой стороны, если они сонаправлены , то угол между ними равен нулю при и Это означает, что скалярное произведение вектора с самим собой есть что дает формула евклидовой длины вектора.

Скалярная проекция и первые свойства

[ редактировать ]
Скалярная проекция

Скалярная проекция (или скалярная компонента) евклидова вектора. по направлению евклидова вектора дается где это угол между и .

С точки зрения геометрического определения скалярного произведения это можно переписать как где - единичный вектор в направлении .

Распределительный закон для скалярного произведения

Таким образом, скалярное произведение характеризуется геометрически [5] Скалярное произведение, определенное таким образом, является однородным при масштабировании по каждой переменной, а это означает, что для любого скаляра , Оно также удовлетворяет распределительному закону , а это означает, что

Эти свойства можно резюмировать, сказав, что скалярное произведение представляет собой билинейную форму . Более того, эта билинейная форма положительно определена , что означает, что никогда не бывает отрицательным и равен нулю тогда и только тогда, когда , нулевой вектор.

Эквивалентность определений

[ редактировать ]

Если являются стандартными базисными векторами в , то мы можем написать Векторы являются ортонормированным базисом , что означает, что они имеют единичную длину и расположены под прямым углом друг к другу. Поскольку эти векторы имеют единичную длину, и поскольку они образуют друг с другом прямые углы, если , Таким образом, в целом можно сказать следующее: где это дельта Кронекера .

Векторные компоненты в ортонормированном базисе

Также по геометрическому определению для любого вектора и вектор , отметим, что где является компонентом вектора в направлении . Последний шаг равенства можно увидеть на рисунке.

Теперь применение распределительности геометрической версии скалярного произведения дает что и есть алгебраическое определение скалярного произведения. Таким образом, геометрическое скалярное произведение равно алгебраическому скалярному произведению.

Характеристики

[ редактировать ]

Скалярное произведение удовлетворяет следующим свойствам, если , , и являются действительными векторами и , и являются скалярами . [2] [3]

коммутативный
что следует из определения ( это угол между и ): [6]
Дистрибутивное сложение по векторам
Билинейный
Скалярное умножение
Не ассоциативный
потому что скалярное произведение скаляра и вектор не определено, а это означает, что выражения, участвующие в ассоциативном свойстве, или оба плохо определены. [7] Однако обратите внимание, что ранее упомянутое свойство скалярного умножения иногда называют «законом ассоциативности для скалярного и скалярного произведения». [8] или можно сказать, что «скалярное произведение ассоциативно относительно скалярного умножения», потому что . [9]
Ортогональный
Два ненулевых вектора и ортогональны когда тогда и только тогда, .
Без отмены
В отличие от умножения обычных чисел, где если , затем всегда равно пока не равно нулю, скалярное произведение не подчиняется закону сокращения :
Если и , то мы можем написать: по распределительному закону ; результат выше говорит, что это просто означает, что перпендикулярен , что еще позволяет и, следовательно, позволяет .
Правило продукта
Если и — векторнозначные дифференцируемые функции , то производная ( обозначается простым числом ) из дается по правилу

Приложение к закону косинусов

[ редактировать ]
Треугольник с векторными краями a и b , разделенными углом θ .

Учитывая два вектора и разделены углом (см. верхнее изображение), они образуют треугольник с третьей стороной . Позволять , и обозначим длины , , и , соответственно. Скалярное произведение этого самого себя:

что такое закон косинусов .

Тройной продукт

[ редактировать ]

Есть две троичные операции, включающие скалярное произведение и перекрестное произведение .

Скалярное тройное произведение трех векторов определяется как Его значение является определителем матрицы, столбцы которой представляют собой декартовы координаты трех векторов. Это знаковый объем параллелепипеда , определяемый тремя векторами, и он изоморфен трехмерному частному случаю внешнего произведения трех векторов.

Тройное векторное произведение определяется формулой [2] [3] Это тождество, также известное как формула Лагранжа , можно запомнить как «ACB минус ABC», имея в виду, какие векторы разделены точками. Эта формула имеет применение для упрощения векторных вычислений в физике .

В физике скалярное произведение принимает два вектора и возвращает скалярную величину. Он также известен как «скалярное произведение». Скалярное произведение двух векторов можно определить как произведение величин двух векторов и косинуса угла между двумя векторами. Таким образом, Альтернативно, он определяется как произведение проекции первого вектора на второй вектор и величины второго вектора.

Например: [10] [11]

Обобщения

[ редактировать ]

Сложные векторы

[ редактировать ]

Для векторов со сложными элементами использование данного определения скалярного произведения приведет к совершенно другим свойствам. Например, скалярное произведение вектора с самим собой может быть равно нулю, даже если вектор не является нулевым вектором (например, это произошло бы с вектором ). Это, в свою очередь, будет иметь последствия для таких понятий, как длина и угол. Такие свойства, как положительно определённая норма, можно спасти ценой отказа от симметричных и билинейных свойств скалярного произведения посредством альтернативного определения. [12] [2] где представляет собой сопряжение комплексное . Когда векторы представлены векторами-столбцами , скалярное произведение может быть выражено как матричное произведение, включающее сопряженное транспонирование , обозначаемое верхним индексом H:

В случае векторов с вещественными компонентами это определение такое же, как и в вещественном случае. Скалярное произведение любого вектора с самим собой представляет собой неотрицательное действительное число и не равно нулю, за исключением нулевого вектора. Однако комплексное скалярное произведение является полуторалинейным, а не билинейным, поскольку оно сопряжено линейно , а не линейно по . Скалярное произведение не симметрично, поскольку Тогда угол между двумя комплексными векторами определяется выражением

Комплексное скалярное произведение приводит к понятиям эрмитовых форм и общих пространств внутреннего произведения , которые широко используются в математике и физике .

Скалярное произведение сложного вектора , включающий сопряженное транспонирование вектора-строки, также известно как квадрат нормы , , после евклидовой нормы ; это векторное обобщение абсолютного квадрата комплексного скаляра (см. также: квадрат евклидова расстояния ).

Внутренний продукт

[ редактировать ]

Внутренний продукт обобщает скалярное произведение на абстрактные векторные пространства над полем скаляров чисел , являющимся либо полем действительных или поле комплексных чисел . Обычно его обозначают угловыми скобками : .

Внутреннее произведение двух векторов по полю комплексных чисел, как правило, является комплексным числом и является полуторалинейным , а не билинейным. Пространство внутреннего продукта — это нормированное векторное пространство , а внутреннее произведение вектора на самого себя является действительным и положительно определенным.

Скалярное произведение определяется для векторов, которые имеют конечное число элементов . Таким образом, эти векторы можно рассматривать как дискретные функции : длину вектор тогда это функция с областью определения , и это обозначение изображения по функции/вектору .

Это понятие можно обобщить на непрерывные функции : точно так же, как внутренний продукт векторов использует сумму по соответствующим компонентам, внутренний продукт функций определяется как интеграл на некотором интервале [ a , b ] : [2]

Обобщается далее на сложные функции и , по аналогии с приведенным выше комплексным внутренним произведением, дает [2]

Весовая функция

[ редактировать ]

Внутренние продукты могут иметь весовую функцию (т. е. функцию, которая присваивает каждому члену внутреннего продукта определенное значение). Явно внутренний продукт функций и относительно весовой функции является

Диадики и матрицы

[ редактировать ]

Двойное скалярное произведение для матриц — это внутреннее произведение Фробениуса , которое аналогично скалярному произведению на векторах. Он определяется как сумма произведений соответствующих компонент двух матриц и того же размера:

А для реальных матриц

Записав матрицу как диадическую , мы можем определить другое произведение с двойной точкой (см. Диадические элементы § Продукт диадного и диадического ), однако это не внутренний продукт.

Внутренний продукт между тензором порядка и тензор порядка является тензором порядка , см. в разделе Тензорное сокращение подробности .

Вычисление

[ редактировать ]

Алгоритмы

[ редактировать ]

Простой алгоритм вычисления скалярного произведения векторов с плавающей запятой может пострадать от катастрофической отмены . такие подходы, как алгоритм суммирования Кахана Чтобы избежать этого, используются .

Библиотеки

[ редактировать ]

Функция скалярного произведения включена в:

  • BLAS уровень 1 настоящий SDOT, DDOT; сложный CDOTU, ZDOTU = X^T * Y, CDOTC, ZDOTC = X^H * Y
  • Фортран как dot_product(A,B) или sum(conjg(A) * B)
  • Джулия как A' * B или стандартная библиотека LinearAlgebra как dot(A, B)
  • R (язык программирования) как sum(A * B) для векторов или, в более общем смысле, для матриц, как A %*% B
  • Матлаб как A' * B или conj(transpose(A)) * B или sum(conj(A) .* B) или dot(A, B)
  • Python (пакет NumPy ) как np.matmul(A, B) или np.dot(A, B) или np.inner(A, B)
  • GNU Октава как sum(conj(X) .* Y, dim)и аналогичный код, как Matlab
  • Библиотека математического ядра Intel oneAPI реальный p?dot dot = sub(x)'*sub(y); сложный p?dotc dotc = conjg(sub(x)')*sub(y)

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Термин скалярное произведение буквально означает «произведение со скаляром в результате». Он также используется иногда для других симметричных билинейных форм , например в псевдоевклидовом пространстве . Не путать со скалярным умножением .
  1. ^ Перейти обратно: а б «Скалярный продукт» . www.mathsisfun.com . Проверено 6 сентября 2020 г.
  2. ^ Перейти обратно: а б с д и ж С. Липшуц; М. Липсон (2009). Линейная алгебра (Очерки Шаума) (4-е изд.). МакГроу Хилл. ISBN  978-0-07-154352-1 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с г-н Шпигель; С. Липшуц; Д. Спеллман (2009). Векторный анализ (Очерки Шаума) (2-е изд.). МакГроу Хилл. ISBN  978-0-07-161545-7 .
  4. ^ А.И. Борисенко; И. Е. Тапаров (1968). Векторный и тензорный анализ с приложениями . Перевод Ричарда Сильвермана. Дувр. п. 14.
  5. ^ Арфкен, Великобритания; Вебер, HJ (2000). Математические методы для физиков (5-е изд.). Бостон, Массачусетс: Академическая пресса . стр. 14–15. ISBN  978-0-12-059825-0 .
  6. ^ Никамп, Дуэйн. «Скалярное произведение» . Математическое понимание . Проверено 6 сентября 2020 г.
  7. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Скалярный продукт». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/DotProduct.html
  8. ^ Т. Банчофф; Дж. Вермер (1983). Линейная алгебра через геометрию . Springer Science & Business Media. п. 12. ISBN  978-1-4684-0161-5 .
  9. ^ А. Бедфорд; Уоллес Л. Фаулер (2008). Инженерная механика: Статика (5-е изд.). Прентис Холл. п. 60. ИСБН  978-0-13-612915-8 .
  10. ^ К. Ф. Райли; член парламента Хобсон; С. Дж. Бенс (2010). Математические методы в физике и технике (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-86153-3 .
  11. ^ М. Мэнсфилд; К. О'Салливан (2011). Понимание физики (4-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-47-0746370 .
  12. ^ Бербериан, Стерлинг К. (2014) [1992]. Линейная алгебра . Дувр. п. 287. ИСБН  978-0-486-78055-9 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5cde1399fcd3c10a0fe0bcfb6cb6c6e6__1722150660
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/5c/e6/5cde1399fcd3c10a0fe0bcfb6cb6c6e6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Dot product - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)