Definitie
Voor vectoren a , b ≠ 0 a, b \neq 0 a , b = 0 met hoek θ \theta θ tussen a a a en b b b zodat 0 ≤ θ ≤ π 0\leq\theta\leq\pi 0 ≤ θ ≤ π , is het inproduct van a a a en b b b , notatie a ⋅ b a \cdot b a ⋅ b , gelijk aan ∣ a ∣ ∣ b ∣ cos ( θ ) |a||b|\cos(\theta) ∣ a ∣∣ b ∣ cos ( θ ) .
Omdat c o s ( 1 2 π ) = 0 cos(\frac12\pi)=0 cos ( 2 1 π ) = 0 , volgt dat a ⊥ b ⟺ a ⋅ b = 0 a \perp b \iff a \cdot b = 0 a ⊥ b ⟺ a ⋅ b = 0 . Twee vectoren die loodrecht op elkaar staan, heten orthogonaal .
We spreken af dat als a = 0 a=0 a = 0 of b = 0 b=0 b = 0 , ook geldt dat a ⋅ b = 0 a \cdot b = 0 a ⋅ b = 0 .
Hoek θ \theta θ
De cosinusregel zegt dat voor driehoek Δ A B C \Delta ABC Δ A BC met θ = ∠ B A C \theta = \angle BAC θ = ∠ B A C geldt:
B C 2 = A B 2 + A C 2 − 2 ⋅ A B ⋅ cos ( θ ) BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 \cdot AB \cdot \cos(\theta) B C 2 = A B 2 + A C 2 − 2 ⋅ A B ⋅ cos ( θ )
Stelling
Voor vectoren x = ( x 1 , x 2 , x 3 ) x = (x_1, x_2, x_3) x = ( x 1 , x 2 , x 3 ) en y = ( y 1 , y 2 , y 3 ) y = (y_1, y_2, y_3) y = ( y 1 , y 2 , y 3 ) geldt x ⋅ y = x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 x \cdot y = x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3 x ⋅ y = x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 .
Bewijs
In driehoek Δ A B C \Delta ABC Δ A BC , neem x = A B x = AB x = A B en y = A C y = AC y = A C . Dan is y − x = B C y - x = BC y − x = BC . Hieruit volgt dan:
∣ y − x ∣ 2 = ∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2 ∣ x ∣ ∣ y ∣ cos ( θ ) |y-x|^2 = |x|^2 + |y|^2 - 2|x||y|\cos(\theta) ∣ y − x ∣ 2 = ∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2∣ x ∣∣ y ∣ cos ( θ )
Maar ∣ y − x ∣ 2 |y-x|^2 ∣ y − x ∣ 2 is ook gelijk aan:
∣ y − x ∣ 2 = ( y 1 − x 1 ) 2 + ( y 2 − x 2 ) 2 + ( y 3 − x 3 ) 2 = x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 + y 1 2 + y 2 2 + y 3 2 − 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 ) = ∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 ) \begin{aligned} |y-x|^2 &= (y_1-x_1)^2 + (y_2-x_2)^2 + (y_3 - x_3)^2 \\ &= x_1^2 + x_2^2 + x_3^2 + y_1^2 + y_2^2 + y_3^2 - 2(x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3) \\ &= |x|^2 + |y|^2 - 2(x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3) \end{aligned} ∣ y − x ∣ 2 = ( y 1 − x 1 ) 2 + ( y 2 − x 2 ) 2 + ( y 3 − x 3 ) 2 = x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 + y 1 2 + y 2 2 + y 3 2 − 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 ) = ∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 )
Hieruit volgt dat:
∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2 ∣ x ∣ ∣ y ∣ cos ( θ ) = ∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 ) |x|^2 + |y|^2 - 2|x||y|\cos(\theta) = |x|^2 + |y|^2 - 2(x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3) ∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2∣ x ∣∣ y ∣ cos ( θ ) = ∣ x ∣ 2 + ∣ y ∣ 2 − 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 )
∣ x ∣ ∣ y ∣ cos ( θ ) = x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 = x ⋅ y |x||y|\cos(\theta) = x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3 = x \cdot y ∣ x ∣∣ y ∣ cos ( θ ) = x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 = x ⋅ y
QED.
Met deze stelling kun je de hoek θ \theta θ tussen vectoren x x x en y y y berekenen met:
cos ( θ ) = x ⋅ y ∣ x ∣ ∣ y ∣ = x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3 x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 ⋅ y 1 2 + y 2 2 + y 3 2 \cos(\theta) = \frac{x \cdot y}{|x||y|} = \frac{x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3}{\sqrt{x_1^2 + x_2^2 + x_3^2} \cdot \sqrt{y_1^2 + y_2^2 + y_3^2}} cos ( θ ) = ∣ x ∣∣ y ∣ x ⋅ y = x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 ⋅ y 1 2 + y 2 2 + y 3 2 x 1 y 1 + x 2 y 2 + x 3 y 3
Rekenregels voor inproducten
Voor vectoren x , y , z x,y,z x , y , z en een getal λ ∈ R \lambda\in\R λ ∈ R gelden de volgende regels:
x ⋅ y = y ⋅ x x \cdot y = y \cdot x x ⋅ y = y ⋅ x
( λ x ) ⋅ y = λ ( x ⋅ y ) (\lambda x) \cdot y = \lambda(x \cdot y) ( λ x ) ⋅ y = λ ( x ⋅ y )
( x + y ) ⋅ z = x ⋅ z + y ⋅ z (x + y) \cdot z = x \cdot z + y \cdot z ( x + y ) ⋅ z = x ⋅ z + y ⋅ z
x ⋅ x ≥ 0 x \cdot x \ge 0 x ⋅ x ≥ 0 en x ⋅ x ⟺ x = 0 x \cdot x \iff x = 0 x ⋅ x ⟺ x = 0
Vlakken en normaalvectoren
Definitie
Een normaalvector van een vlak V V V is een vector die loodrecht staat op dat vlak V V V .
Neem een vlak V V V en een normaalvector n n n van dat vlak. Neem verder een vector p p p van de oorsprong O O O naar het vlak V V V . Dan geldt voor iedere vector x x x van O O O naar V V V dat x − p x-p x − p op het vlak ligt, dus n ⋅ ( x − p ) = 0 n \cdot (x-p) = 0 n ⋅ ( x − p ) = 0 , ofwel:
n ⋅ x = n ⋅ p n \cdot x = n \cdot p n ⋅ x = n ⋅ p
Deze vergelijking voor x x x is een vergelijking voor het vlak V V V .
Multi-dimensionaal
Voor vectoren x , y ∈ R n x,y\in\R^n x , y ∈ R n spreken we de volgende regels af:
x ⋅ y = x 1 y 1 + x 2 y 2 + . . . + x n y n x \cdot y = x_1y_1 + x_2y_2 + ... + x_ny_n x ⋅ y = x 1 y 1 + x 2 y 2 + ... + x n y n
∣ x ∣ = x ⋅ x |x| = \sqrt{x \cdot x} ∣ x ∣ = x ⋅ x
x ⋅ y = ∣ x ∣ ∣ y ∣ cos ( θ ) x \cdot y = |x||y|\cos(\theta) x ⋅ y = ∣ x ∣∣ y ∣ cos ( θ ) , met 0 ≤ θ ≤ π 0 \leq \theta \leq \pi 0 ≤ θ ≤ π de "hoek" tussen x x x en y y y .
Ongelijkheid van Schwarz
Stelling
Voor twee vectoren x , y ∈ R n x,y\in\R^n x , y ∈ R n geldt
∣ x ⋅ y ∣ ≤ ∣ x ∣ ∣ y ∣ |x \cdot y| \leq |x||y| ∣ x ⋅ y ∣ ≤ ∣ x ∣∣ y ∣
Bewijs
Omdat x ⋅ x ≥ 0 x \cdot x \ge 0 x ⋅ x ≥ 0 geldt voor elke λ ∈ R \lambda \in \R λ ∈ R :
( λ x + y ) ⋅ ( λ x + y ) ≥ 0 (\lambda x + y)\cdot(\lambda x + y) \ge 0 ( λ x + y ) ⋅ ( λ x + y ) ≥ 0
λ 2 x ⋅ x + λ x ⋅ y + λ y ⋅ x + y ⋅ y ≥ 0 \lambda^2 x \cdot x + \lambda x \cdot y + \lambda y \cdot x + y \cdot y \ge 0 λ 2 x ⋅ x + λ x ⋅ y + λ y ⋅ x + y ⋅ y ≥ 0
λ 2 ∣ x ∣ 2 + 2 λ x ⋅ y + ∣ y ∣ 2 ≥ 0 \lambda^2 |x|^2 + 2\lambda x \cdot y + |y|^2 \ge 0 λ 2 ∣ x ∣ 2 + 2 λ x ⋅ y + ∣ y ∣ 2 ≥ 0
Dit is een kwadratische functie in λ \lambda λ die groter is dan of gelijk is aan 0 0 0 . Er zijn dus nul of één oplossingen, waaruit volgt dat de discriminant kleiner of gelijk is aan 0 0 0 .
4 ( x ⋅ y ) 2 − 4 ∣ x ∣ 2 ∣ y ∣ 2 ≤ 0 4(x \cdot y)^2 - 4|x|^2|y|^2 \le 0 4 ( x ⋅ y ) 2 − 4∣ x ∣ 2 ∣ y ∣ 2 ≤ 0
( x ⋅ y ) 2 ≤ ∣ x ∣ 2 ∣ y ∣ 2 (x \cdot y)^2 \le |x|^2 |y|^2 ( x ⋅ y ) 2 ≤ ∣ x ∣ 2 ∣ y ∣ 2
x ⋅ y ≤ ∣ x ∣ ∣ y ∣ x \cdot y \le |x||y| x ⋅ y ≤ ∣ x ∣∣ y ∣
QED.