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수학/고등학생을 위한 수학

기하와 벡터(21)

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※본 글에는 수식이 사용되었습니다. 모바일에서는 수식이 깨져 보이지 않을 수 있는 점 참고 바랍니다. 만일 수식이 깨져 보일 경우 데스크톱 모드를 사용하여 주시길 부탁드립니다.


 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

 평면벡터[각주:1]에서 벡터의 내적은 다음과 같이 정의한다.

a=(a1a2)b=(b1b2)에 대하여

ab=a1b1+a2b2

 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.

aa=|a|2
ab=ba
a(b+c)=ab+ac
(ka)b=k(ab)=a(kb)
0a=0

 이 성질들이 덕분에 우리는 벡터를 사용하여 연산을 수행함에 있어 많은 제약이 사라진다. 아래는 5가지 성질을 증명하는 과정이다.

aa=|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

aa=a21+a22

이때, |a|=a21+a22이므로

|a|2=a21+a22

ab=ba

 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

ab=a1b1+a2b2

bb=b1a1+b2a2=a1b1+a2b2

ab=ba

a(b+c)=ab+ac

 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

b+c=(b1+c1b2+c2)

벡터의 내적의 정의에 의하여

a(b+c)=a1(b1+c1)+a2(b2+c2)

또한 벡터의 내적의 정의에 의하여

ab=a1b1+a2b2ac=a1c1+a2c2이므로

ab+ac=a1b1+a2b2+a1c1+a2c2=a1(b1+c1)+a2(b2+c2)

a(b+c)=ab+ac

(ka)b=k(ab)=a(kb)

 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

ka=(ka1ka2)

벡터의 내적의 정의에 의하여

(ka)b=ka1b1+ka2b2

또한 벡터의 내적의 정의에 의하여

ab=a1b1+a2b2이므로

k(ab)=ka1b1+ka2b2

(ka)b=k(ab)

 동일한 방법으로 vec{a} · (k vec{b})에 대해서도 증명할 수 있다. 이는 독자가 스스로 해볼 수 있도록 남겨두겠다.

0a=0

 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.

0=(00)이므로

벡터의 내적의 정의에 의하여

0a=0a1+0a2=0

0a=0

 

 

 

수는 세상의 형태와 에너지의 원천이다.

-스미르나의 테온


  1. 평면벡터란 좌표평면 위에 있는 벡터를 의미한다. [본문으로]
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