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 ]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 (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 .
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 .
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 ]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 .
Физика
[ редактировать ]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.
- Механическая работа – это скалярное произведение векторов силы и перемещения .
- Мощность — это скалярное произведение силы и скорости .
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.
Функции
[ редактировать ]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.
Тензоры
[ редактировать ]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
; сложныйCDOTU
,ZDOTU = X^T * Y
,CDOTC
,ZDOTC = X^H * Y
- Фортран как
dot_product(A,B)
илиsum(conjg(A) * B)
- Джулия как
A' * B
или стандартная библиотека LinearAlgebra какdot(A, B)
- R (язык программирования) как
sum(A * B)
для векторов или, в более общем смысле, для матриц, какA %*% B
- Матлаб как
A' * B
илиconj(transpose(A)) * B
илиsum(conj(A) .* B)
илиdot(A, B)
- Python (пакет NumPy ) как
np.matmul(A, B)
илиnp.dot(A, B)
илиnp.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?dotcdotc = conjg(sub(x)')*sub(y)
См. также
[ редактировать ]- Неравенство Коши – Шварца
- Перекрестное произведение
- Представление скалярного произведения графика
- Евклидова норма , квадратный корень из собственного скалярного произведения
- Умножение матрицы
- Метрический тензор
- Умножение векторов
- Внешний продукт
Примечания
[ редактировать ]- ^ 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 .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б «Скалярный продукт» . www.mathsisfun.com . Проверено 6 сентября 2020 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ А.И. Борисенко; И. Е. Тапаров (1968). Векторный и тензорный анализ с приложениями . Перевод Ричарда Сильвермана. Дувр. п. 14.
- ^ 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 .
- ^ Никамп, Дуэйн. «Скалярное произведение» . Математическое понимание . Проверено 6 сентября 2020 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Скалярный продукт». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/DotProduct.html
- ^ Т. Банчофф; Дж. Вермер (1983). Линейная алгебра через геометрию . Springer Science & Business Media. п. 12. ISBN 978-1-4684-0161-5 .
- ^ А. Бедфорд; Уоллес Л. Фаулер (2008). Инженерная механика: Статика (5-е изд.). Прентис Холл. п. 60. ИСБН 978-0-13-612915-8 .
- ^ 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 .
- ^ М. Мэнсфилд; К. О'Салливан (2011). Понимание физики (4-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-47-0746370 .
- ^ Бербериан, Стерлинг К. (2014) [1992]. Линейная алгебра . Дувр. п. 287. ИСБН 978-0-486-78055-9 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Внутренний продукт» , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994]
- Объяснение скалярного произведения, в том числе со сложными векторами
- «Скалярный продукт» Брюса Торренса, Демонстрационный проект Wolfram , 2007 г.