Vectors a l'espai: Operacions i productes

Presentació de conceptes clau sobre vectors a l'espai per a 2n de Batxillerat, que inclou operacions bàsiques, combinació lineal, bases i sistemes de referència, així com els productes escalar, vectorial i mixt amb les seves aplicacions geomètriques.

Matemàtiques II · Selectivitat (PAU Catalunya)

68 pàgines · 6 temes · 41 flashcards · 33 preguntes tipus test

Índex

  1. 1. Definicions bàsiques i operacions amb vectors · p. 1-11
  2. 2. Combinació lineal, bases i sistemes de referència · p. 12-25
  3. 3. Mòdul, distància i dependència lineal amb components · p. 26-35
  4. 4. Producte escalar i aplicacions geomètriques · p. 36-48
  5. 5. Producte vectorial i càlcul d'àrees · p. 49-62
  6. 6. Producte mixt i càlcul de volums · p. 63-68

1. Definicions bàsiques i operacions amb vectors

Flashcards

Què és un vector fix?
Un segment orientat determinat per dos punts: un origen $A$ i un extrem $B$.
Quins són els tres elements d'un vector?
Mòdul (longitud), direcció (recta de suport) i sentit (recorregut d'origen a extrem).
Què defineixen tots els vectors fixos equipolents agrupats?
Formen una classe d'equivalència que constitueix un únic vector lliure.
Com es defineix analíticament la suma de dos vectors a l'espai?
Sumant component a component: $\vec{u} + \vec{v} = (u_1+v_1, u_2+v_2, u_3+v_3)$.

Preguntes tipus test

  1. A partir de la representació , quina relació guarden els vectors $\vec{AB}$ i $\vec{BA}$?
    • a) Són exactament el mateix vector fix en compartir la mateixa recta de suport.
    • b) Tenen diferent direcció i mòdul, compartint únicament el sentit del recorregut.
    • c) Tenen la mateixa direcció i sentit, però el seu mòdul és completament diferent.
    • d) Tenen el mateix mòdul i la mateixa direcció, però presenten sentits oposats.

    Resposta: d) Tenen el mateix mòdul i la mateixa direcció, però presenten sentits oposats.. Dos punts $A$ i $B$ determinen dos vectors fixos $\vec{AB}$ i $\vec{BA}$ amb el mateix mòdul i la mateixa direcció, però amb sentits contraris segons el punt que s'esculli com a origen i quin com a extrem.

  2. Quins tres elements defineixen de forma unívoca un vector a l'espai?
    • a) La longitud del segment, la seva àrea i el perímetre.
    • b) El seu mòdul, la seva direcció i el seu sentit.
    • c) El seu punt d'origen, el pendent i la seva curvatura.
    • d) La dimensió espacial, el terme independent i el rang.

    Resposta: b) El seu mòdul, la seva direcció i el seu sentit.. Un vector queda completament determinat pel seu mòdul (longitud del segment orientat), la seva direcció (la recta que el conté o qualsevol de paral·lela) i el seu sentit (la forma de recórrer el segment d'origen a extrem).

  3. Quan es multipliquen un escalar $k < 0$ i un vector $\vec{v}$, com és el vector resultant $k\cdot\vec{v}$?
    • a) Té diferent direcció, sentit inalterat i el seu mòdul esdevé un nombre negatiu.
    • b) Té la mateixa direcció, sentit contrari a $\vec{v}$ i mòdul $|k|$ vegades el de $\vec{v}$.
    • c) Té la mateixa direcció i sentit que $\vec{v}$, però amb mòdul dividit per la constant.
    • d) Té direcció perpendicular, el mateix sentit que $\vec{v}$ i mòdul constant igual a $k$.

    Resposta: b) Té la mateixa direcció, sentit contrari a $\vec{v}$ i mòdul $|k|$ vegades el de $\vec{v}$.. El producte d'un vector per un escalar negatiu conserva la direcció de la recta de suport, inverteix el sentit original del vector i multiplica el seu mòdul pel valor absolut d'aquesta constant.

2. Combinació lineal, bases i sistemes de referència

Flashcards

Què és una combinació lineal de vectors?
És l'expressió $\vec{v} = \lambda_1 \cdot \vec{u}_1 + \dots + \lambda_n \cdot \vec{u}_n$, on $\lambda_i \in \mathbb{R}$.
Quan són linealment independents els vectors $\vec{u}_1, \dots, \vec{u}_n$?
Quan cap d'ells no es pot escriure com a combinació lineal dels altres.
Què és un sistema generador d'un espai?
Un conjunt de vectors amb el qual es pot generar qualsevol vector de l'espai mitjançant combinació lineal.
Quines condicions defineixen una base d'un espai de dimensió $n$?
Complir com a mínim dues de: ser $n$ vectors, ser linealment independents o formar sistema generador.

Preguntes tipus test

  1. Quan es diu que un vector $\vec{v}$ és combinació lineal d'un conjunt de vectors $\vec{u}_1, \vec{u}_2, \dots, \vec{u}_n$?
    • a) Quan és perpendicular a cadascun dels vectors que formen el conjunt en l'espai tridimensional.
    • b) Quan es pot expressar com $\vec{v} = \lambda_1 \cdot \vec{u}_1 + \lambda_2 \cdot \vec{u}_2 + \dots + \lambda_n \cdot \vec{u}_n$ amb escalars reals.
    • c) Quan el producte escalar del vector $\vec{v}$ per cadascun dels vectors del conjunt és igual a la unitat.
    • d) Quan té exactament el mateix mòdul i la mateixa direcció que la suma directa de tots els vectors donats.

    Resposta: b) Quan es pot expressar com $\vec{v} = \lambda_1 \cdot \vec{u}_1 + \lambda_2 \cdot \vec{u}_2 + \dots + \lambda_n \cdot \vec{u}_n$ amb escalars reals.. Per definició, un vector $\vec{v}$ és combinació lineal d'altres vectors si existeixen escalars reals tals que $\vec{v}$ és la suma ponderada d'aquests.

  2. Quina és la condició perquè un conjunt de vectors sigui linealment independent?
    • a) El nombre total de vectors del conjunt ha de coincidir sempre amb la dimensió de l'espai.
    • b) Cap dels vectors del conjunt no es pot escriure com a combinació lineal dels altres.
    • c) La suma de tots els vectors del conjunt ha de ser diferent del vector nul.
    • d) Tots els vectors del conjunt han de tenir mòdul igual a 1 i ser perpendiculars entre ells.

    Resposta: b) Cap dels vectors del conjunt no es pot escriure com a combinació lineal dels altres.. Un conjunt de vectors és linealment independent precisament quan cap d'ells no es pot expressar com a combinació lineal dels restants.

  3. Quantes condicions d'aquestes tres (tenir $n$ vectors, ser linealment independents, formar un sistema generador) cal complir com a mínim per ser base d'un espai de dimensió $n$?
    • a) És imprescindible complir sempre les tres sense excepció.
    • b) Cal complir-ne com a mínim dues de les tres condicions.
    • c) N'hi ha prou amb complir només una condició qualsevol.
    • d) Només cal complir la condició de formar un sistema generador.

    Resposta: b) Cal complir-ne com a mínim dues de les tres condicions.. En un espai de dimensió $n$, qualsevol conjunt que compleixi dues d'aquestes tres condicions compleix automàticament la tercera i forma una base.

3. Mòdul, distància i dependència lineal amb components

Flashcards

Com es calcula el mòdul d'un vector $\vec{v} = (v_1, v_2, v_3)$?
Com l'arrel quadrada de la suma dels quadrats de les seves components: $|\vec{v}| = \sqrt{v_1^2 + v_2^2 + v_3^2}$.
Com s'obté un vector unitari $\vec{u}$ a partir d'un vector $\vec{v}$ no nul?
Dividint el vector $\vec{v}$ pel seu propi mòdul: $\vec{u} = \dfrac{\vec{v}}{|\vec{v}|}$.
Com es defineix la distància entre dos punts $A$ i $B$?
És igual al mòdul del vector que té com a extrems aquests dos punts: $d(A, B) = |\vec{AB}|$.
Quan són linealment independents $n$ vectors segons la seva combinació lineal?
Quan cap vector del conjunt es pot expressar com a combinació lineal de la resta.

Preguntes tipus test

  1. Observa el següent esquema . Quina és la característica fonamental del vector $\vec{u}_{AB}$ respecte al vector $\vec{AB}$?
    • a) És un vector perpendicular al vector original que serveix com a eix de coordenades
    • b) Té la mateixa direcció i sentit que el vector original però el seu mòdul és exactament 1
    • c) Té la meitat de longitud que el vector original i sentit contrari a la recta guia
    • d) Té un mòdul el triple de gran que el vector original per cobrir tot el segment marcat

    Resposta: b) Té la mateixa direcció i sentit que el vector original però el seu mòdul és exactament 1. Un vector unitari manté la direcció i el sentit del vector original, però té mòdul igual a 1, resultat de dividir el vector pel seu propi mòdul.

  2. Si prenem els punts $A(-2, 3, 7)$ i $B(2, 0, -4)$, quin és el mòdul del vector $\vec{AB}$?
    • a) $146$
    • b) $\sqrt{162}$
    • c) $\sqrt{130}$
    • d) $\sqrt{146}$

    Resposta: d) $\sqrt{146}$. El vector $\vec{AB}$ té components $(2 - (-2), 0 - 3, -4 - 7) = (4, -3, -11)$. El seu mòdul és $\sqrt{4^2 + (-3)^2 + (-11)^2} = \sqrt{16 + 9 + 121} = \sqrt{146}$.

  3. Què podem afirmar necessàriament sobre un conjunt de 4 vectors a l'espai tridimensional?
    • a) Poden ser linealment independents si el determinant format per ells és no nul
    • b) Són sempre linealment dependents perquè el rang màxim de la matriu de components és 3
    • c) Són linealment independents si cap d'ells té components iguals a zero
    • d) Són independents sempre que no siguin paral·lels dos a dos en el mateix pla

    Resposta: b) Són sempre linealment dependents perquè el rang màxim de la matriu de components és 3. A l'espai tridimensional, qualsevol conjunt de n vectors amb n major que 3 és sempre linealment dependent perquè la matriu té com a màxim rang 3.

4. Producte escalar i aplicacions geomètriques

Flashcards

Com es defineix geomètricament el producte escalar de dos vectors?
És el producte dels seus mòduls pel cosinus de l'angle menor que formen: $\vec{u}\cdot\vec{v} = |\vec{u}||\vec{v}|\cos\alpha$.
Quina és la fórmula de la projecció d'un vector $\vec{v}$ sobre $\vec{u}$?
$\text{Proy}_{\vec{u}}\vec{v} = |\vec{v}|\cos\alpha = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|}$. Pot ser positiva o negativa.
Com s'expressa el vector projecció de $\vec{v}$ sobre $\vec{u}$?
$\vec{\text{Proy}}_{\vec{u}}(\vec{v}) = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|^2}\,\vec{u}$. Dona la projecció orientada com a vector.
Com es calcula el producte escalar en el sistema canònic?
Sumant els productes de les coordenades corresponents: $\vec{u}\cdot\vec{v} = u_1 v_1 + u_2 v_2 + u_3 v_3$.

Preguntes tipus test

  1. Com es calcula el valor de la projecció d'un vector $\vec{v}$ sobre un vector $\vec{u}$ a partir del producte escalar?
    • a) $\text{Proy}_{\vec{u}}\vec{v} = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|}$
    • b) $\text{Proy}_{\vec{u}}\vec{v} = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{v}|}$
    • c) $\text{Proy}_{\vec{u}}\vec{v} = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|^2}$
    • d) $\text{Proy}_{\vec{u}}\vec{v} = |\vec{u}|\cdot|\vec{v}|\cdot\sin\alpha$

    Resposta: a) $\text{Proy}_{\vec{u}}\vec{v} = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|}$. Com que $\vec{u}\cdot\vec{v} = |\vec{u}|\cdot\text{Proy}_{\vec{u}}\vec{v}$, aïllant la projecció s'obté el quocient entre el producte escalar i el mòdul del vector sobre el qual es projecta, $|\vec{u}|$.

  2. Quin és el vector projecció de $\vec{v}$ sobre $\vec{u}$, tenint en compte la seva direcció i sentit?
    • a) $\vec{\text{Proy}}_{\vec{u}}(\vec{v}) = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|^2}\,\vec{u}$
    • b) $\vec{\text{Proy}}_{\vec{u}}(\vec{v}) = (\vec{u}\cdot\vec{v})\,\vec{u}$
    • c) $\vec{\text{Proy}}_{\vec{u}}(\vec{v}) = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{v}|^2}\,\vec{v}$
    • d) $\vec{\text{Proy}}_{\vec{u}}(\vec{v}) = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|}\,\vec{v}$

    Resposta: a) $\vec{\text{Proy}}_{\vec{u}}(\vec{v}) = \dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|^2}\,\vec{u}$. El vector projecció s'obté multiplicant l'escalar de projecció pel vector unitari en la direcció de $\vec{u}$, la qual cosa dona $\dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{|\vec{u}|^2}\,\vec{u}$.

  3. Quina interpretació geomètrica té una projecció escalar amb valor estrictament negatiu segons ?
    • a) Els dos vectors són estrictament perpendiculars
    • b) El vector i la seva projecció tenen sentit contrari
    • c) Els dos vectors tenen mòduls iguals a zero
    • d) L'angle entre els vectors és menor de noranta graus

    Resposta: b) El vector i la seva projecció tenen sentit contrari. Quan l'angle és obtús, el cosinus és negatiu i la projecció té signe negatiu, indicant que la projecció té sentit contrari al vector base.

5. Producte vectorial i càlcul d'àrees

Flashcards

Com es defineix el mòdul del producte vectorial $\vec{u} \times \vec{v}$?
$|\vec{u} \times \vec{v}| = |\vec{u}| \cdot |\vec{v}| \cdot \sin\alpha$, sent $\alpha$ el menor angle entre ells.
Quina és la propietat anticonmutativa del producte vectorial?
$\vec{u} \times \vec{v} = -(\vec{v} \times \vec{u})$. El canvi d'ordre inverteix el sentit.
Quan és nul el producte vectorial de dos vectors no nuls?
Quan els vectors són paral·lels: $\vec{u} \times \vec{v} = \vec{0} \iff \vec{u} \parallel \vec{v}$.
Com es calcula analíticament $\vec{u} \times \vec{v}$ a la base canònica?
Desenvolupant el determinant amb $\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}$ a la fila 1 i les components a sota.

Preguntes tipus test

  1. Quina relació es compleix en intercanviar l'ordre dels vectors en el producte vectorial $\vec{u} \times \vec{v}$?
    • a) La direcció del vector es torna paral·lela a un dels dos vectors
    • b) El vector resultant canvia de sentit: $\vec{u} \times \vec{v} = -(\vec{v} \times \vec{u})$
    • c) El mòdul del vector resultant esdevé nul de manera immediata
    • d) El resultat no varia perquè compleix la propietat commutativa

    Resposta: b) El vector resultant canvia de sentit: $\vec{u} \times \vec{v} = -(\vec{v} \times \vec{u})$. El producte vectorial té la propietat anticonmutativa, de manera que en canviar l'ordre dels factors s'obté el vector oposat.

  2. Com es determina el sentit del producte vectorial indicat en aquest esquema?
    • a) Orientant el sentit en la mateixa direcció que el vector de major longitud
    • b) Mitjançant el sentit d'avanç d'un llevataps que gira del primer vector cap al segon
    • c) Fent coincidir sempre el sentit positiu amb l'eix vertical de cotes del sistema
    • d) Triant el sentit que minimitzi l'angle absolut entre els dos vectors inicials

    Resposta: b) Mitjançant el sentit d'avanç d'un llevataps que gira del primer vector cap al segon. La regla de Maxwell o del llevataps estableix que el sentit del producte vectorial és el d'avanç d'un llevataps en girar de u cap a v.

  3. Com s'expressa analíticament el producte vectorial de dos vectors $\vec{u}$ i $\vec{v}$ en el sistema canònic?
    • a) Multiplicant la matriu de components pel producte escalar dels dos vectors
    • b) Mitjançant un determinant 3x3 amb els vectors unitaris a la primera fila
    • c) Calculant la diferència entre els mòduls elevats al quadrat de cada vector
    • d) Amb la suma dels productes component a component dels dos vectors

    Resposta: b) Mitjançant un determinant 3x3 amb els vectors unitaris a la primera fila. El producte vectorial s'obté analíticament desenvolupant el determinant format pels vectors de la base canònica a la primera fila i les components dels vectors a la segona i tercera fila.

6. Producte mixt i càlcul de volums

Flashcards

Què és el producte mixt de tres vectors?
És el nombre obtingut de fer $\vec{u} \cdot (\vec{v} \times \vec{w})$, denotat com $[\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}]$.
Com es calcula analíticament $[\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}]$ amb components?
Mitjançant el determinant $3 \times 3$ format per les coordenades dels tres vectors disposades per files.
Què implica que $[\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}] = 0$?
Implica que els tres vectors són linealment dependents, és a dir, són coplanaris.
Com es calcula el volum d'un paral·lelepípede amb producte mixt?
Com el valor absolut del producte mixt: $V = |[\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}]|$.

Preguntes tipus test

  1. Com es defineix algebraicament el producte mixt de tres vectors $\vec{u}$, $\vec{v}$ i $\vec{w}$?
    • a) Com el producte escalar del primer vector pel producte vectorial dels altres dos: $\vec{u} \cdot (\vec{v} \times \vec{w})$.
    • b) Com el producte vectorial del primer vector pel producte escalar dels altres dos: $\vec{u} \times (\vec{v} \cdot \vec{w})$.
    • c) Com el determinant format per la suma i resta successiva de cadascun dels tres components vectorials.
    • d) Com la suma del producte escalar i el producte vectorial dels tres vectors: $(\vec{u} \cdot \vec{v}) + \vec{w}$.

    Resposta: a) Com el producte escalar del primer vector pel producte vectorial dels altres dos: $\vec{u} \cdot (\vec{v} \times \vec{w})$.. El producte mixt de tres vectors s'obté en calcular el producte escalar del primer vector pel producte vectorial dels altres dos, denotat com $[\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}] = \vec{u} \cdot (\vec{v} \times \vec{w})$.

  2. Com es calcula analíticament el producte mixt $[\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}]$ en el sistema de referència canònic?
    • a) Multiplicant directament les components homòlogues dels tres vectors: $u_1 v_1 w_1 + u_2 v_2 w_2 + u_3 v_3 w_3$.
    • b) Mitjançant el determinant d'ordre $3$ format per les components dels tres vectors en files o columnes.
    • c) Calculant el producte de les diagonals principals de la matriu formada únicament per $\vec{u}$ i $\vec{v}$.
    • d) Sumant els mòduls dels tres vectors i multiplicant pel cosinus de l'angle que formen entre ells.

    Resposta: b) Mitjançant el determinant d'ordre $3$ format per les components dels tres vectors en files o columnes.. L'expressió analítica del producte mixt en el sistema canònic correspon al determinant de la matriu $3 \times 3$ formada per les coordenades dels vectors $\vec{u}$, $\vec{v}$ i $\vec{w}$.

  3. Quina condició geomètrica equival al fet que el producte mixt de tres vectors sigui nul, $[\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}] = 0$?
    • a) Els tres vectors són linealment dependents i, per tant, es troben en un mateix pla (són coplanaris).
    • b) El vector resultant té mòdul igual a zero però direcció indefinida en el pla.
    • c) Els tres vectors són perpendiculars entre si dos a dos en l'espai tridimensional.
    • d) Com a mínim dos dels tres vectors tenen mòdul unitari i sentits oposats.

    Resposta: a) Els tres vectors són linealment dependents i, per tant, es troben en un mateix pla (són coplanaris).. El producte mixt és zero si i només si els vectors són linealment dependents, la qual cosa significa geomètricament que són coplanaris.

I 17 flashcards i 15 preguntes més al document.

Més apunts de Matemàtiques II

Exàmens, temes i apunts de Matemàtiques II

Subido por alumnos de 2º Bachillerato de Institut de Santa Coloma de Gramenet · Exámenes y apuntes de Institut de Santa Coloma de Gramenet

Exámenes oficiales en PDF y soluciones: examenselectivitat.cat