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벡터의 연산에 대해 알아보다 보면 '벡터 간 덧셈을 할 수 있는데, 벡터 간의 곱셈은 할 수 없을까?'하는 궁금증이 생길 수 있다. 물론 안 생길 수도 있고. 두 벡터를 곱하는 것 또한 가능하다. 물론 우리가 흔히 생각하는 곱하기와는 다르다. 그래서 이를 지칭하는 새로운 용어가 필요하며, 우리는 이를 '벡터의 내적'이라고 부른다.
벡터의 내적
여기서 ·는 벡터의 내적 연산자이다. 벡터의 내적 연산을 수행하면 특이하게도 결과값이 벡터가 아닌 스칼라 값으로 나온다. 벡터간에 곱하는 연산은 내적 말고도 벡터의 외적이라는 연산이 있다. 다만 고등학교 수학 교과 중 외적에 관하여 전혀 다루지 않으므로 벡터의 외적은 이 시리즈에서 다루지 않을 것이다.
내적 연산의 성질
벡터의 내적은 다음의 5가지 성질을 만족한다.
→a⋅→a=|→a|2 →a⋅→b=→b⋅→a →a⋅(→b+→c)=→a⋅→b+→a⋅→c (k→a)⋅→b=k(→a⋅→b)=→a⋅(k→b) →0⋅→a=0
이 성질들이 덕분에 우리는 벡터를 사용하여 연산을 수행함에 있어 많은 제약이 사라진다. 아래는 5가지 성질을 증명하는 과정이다.
→a⋅→a=|→a|2
이 성질은 벡터를 사용한 많은 정리를 증명함에 있어 매우 요긴하게 쓰인다. 아래는 정리를 증명하는 과정이다.
벡터 a에 대하여 a=(a_{1}, a_{2})라고 하면 벡터의 내적의 정의에 의하여
이 성질은 내적 연산에서 교환 법칙이 성립함을 의미한다. 교환 법칙이 성립한다는 것은 한 연산자에 대해 순서를 바꿀 수 있다는 의미가 되므로 연산에 있어 자유롭다. 아래는 정리를 증명하는 과정이다.
두 벡터 a, b에 대하여 a=(a_{1}, a_{2}), b=(b_{1}, b_{2})라고 하면 벡터의 내적의 정의에 의하여
이 성질은 내적 연산에 대하여 분배 법칙이 성립함을 의미한다. 이를 통해 벡터의 연산 또한 마치 실수의 덧셈과 곱셈과 같이 작용함을 알 수 있다. 아래는 정리를 증명하는 과정이다.
세 벡터 a, b, c에 대하여 a=(a_{1}, a_{2}), b=(b_{1}, b_{2}), c=(c_{1}, c_{2})라고 하면
벡터의 내적의 정의에 의하여
또한 벡터의 내적의 정의에 의하여
이 성질은 스칼라 곱과 벡터의 내적 연산에 대하여 결합 법칙이 성립함을 의미한다. 아래는 정리를 증명하는 과정이다.
두 벡터 a, b에 대하여 a=(a_{1}, a_{2}), b=(b_{1}, b_{2})라고 하면
벡터의 내적의 정의에 의하여
또한 벡터의 내적의 정의에 의하여
동일한 방법으로 vec{a} · (k vec{b})에 대해서도 증명할 수 있다. 이는 독자가 스스로 해볼 수 있도록 남겨두겠다.
이 성질은 벡터의 내적에서 영벡터가 마치 실수의 곱셈 연산에서의 0처럼 작용함을 알 수 있다. 아래는 정리를 증명하는 과정이다.
벡터 a에 대하여 a=(a_{1}, a_{2})라고 하자.
벡터의 내적의 정의에 의하여
수는 세상의 형태와 에너지의 원천이다.
-스미르나의 테온
- 평면벡터란 좌표평면 위에 있는 벡터를 의미한다. [본문으로]
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