Проєкція вектора

Вектор проєкції вектора a на ненульовий вектор b (також відомий як компонента вектора) є ортогональною проєкцією на пряму лінію, паралельну b. Вектор, паралельний b, визначається як

${\displaystyle \mathbf {a} _{1}=a_{1}\mathbf {\hat {b}} \,}$,

де ${\displaystyle a_{1}}$ є скаляром (називається скалярною проєкцією a на b) та b̂ одиничний вектор у напрямку b.

У свою чергу, скалярна проєкція визначається як

${\displaystyle a_{1}=|\mathbf {a} |\cos \theta =\mathbf {a} \cdot \mathbf {\hat {b}} =\mathbf {a} \cdot {\frac {\mathbf {b} }{|\mathbf {b} |}}\,}$,

де оператор · позначає скалярний добуток, |а| — це довжина, і ${\displaystyle \theta }$ представляє кут між а і b. Скалярний проєкція дорівнює довжині проєкції вектора, зі знаком мінус, якщо напрямок проєкції протилежно напрямку b.

Вектор проєкція а на b іноді позначається a_∥b.

Вектор проєкції

Вектор проєкції а на b є вектором, величина якого скалярна проєкція на b і кут, проти b 0 або 180 градусів.

А саме, визначається як: ${\displaystyle \mathbf {a} _{1}=a_{1}\mathbf {\hat {b}} =(|\mathbf {a} |\cos \theta )\mathbf {\hat {b}} }$, де a₁ є відповідна скалярна проєкція, як визначено вище, і b одиничний вектор з тим же напрямком, що і b:

${\displaystyle \mathbf {\hat {b}} ={\frac {\mathbf {b} }{|\mathbf {b} |}}\,}$.

Проєкцією вектора a на інший вектор b є вектор, що обчислюється за формулою

${\displaystyle \mathrm {proj} _{\mathbf {B} }\,(\mathbf {A} )={\frac {\mathbf {A} \cdot \mathbf {B} }{|\mathbf {B} |^{2}}}{\mathbf {B} }.}$

Визначення в термінах а та b

Коли θ невідомо, косинус θ може бути обчислен в термінах а та b

${\displaystyle {\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{|\mathbf {a} |\,|\mathbf {b} |}}=\cos \theta \,}$

Скалярна проєкція

До вищезазначеної властивості скалярного добутку, визначенням скалярної проєкції стає

${\displaystyle a_{1}=|\mathbf {a} |\cos \theta =|\mathbf {a} |{\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{|\mathbf {a} |\,|\mathbf {b} |}}={\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{|\mathbf {b} |}}\,}$

Вектор проєкції

Аналогічним чином, визначення вектора проєкції а на b стає

${\displaystyle \mathbf {a} _{1}=a_{1}\mathbf {\hat {b}} ={\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{|\mathbf {b} |}}{\frac {\mathbf {b} }{|\mathbf {b} |}},}$

що еквівалентно

${\displaystyle \mathbf {a} _{1}=(\mathbf {a} \cdot \mathbf {\hat {b}} )\mathbf {\hat {b}} ,}$ або[1]

${\displaystyle \mathbf {a} _{1}={\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{|\mathbf {b} |^{2}}}{\mathbf {b} }={\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{\mathbf {b} \cdot \mathbf {b} }}{\mathbf {b} }.}$

Остання формула є більш ефективною для обчислювання, ніж перша. В кожній з формул потрібно обчислювати скалярний добуток і множити скаляр на вектор, але в першій формулі потрібно додатково обчислювати квадратний корінь та ділити вектор на число.[2], в той час коли в останній потрібно лише розділити скаляр на скаляр.

Відкидання вектора

За визначенням,

${\displaystyle \mathbf {a} _{2}=\mathbf {a} -\mathbf {a} _{1}.}$

Отже,

${\displaystyle \mathbf {a} _{2}=\mathbf {a} -{\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{\mathbf {b} \cdot \mathbf {b} }}{\mathbf {b} }.}$

Властивості

Скалярна проєкція

Скалярний проєкція a на b є скаляр, який має від'ємний знак, якщо 90 < θ ≤ 180 градусів. Вона збігається з довжиною | C | вектора проєкції, якщо кут менше 90 °. Більш точно:

• a₁ = |a₁|, якщо 0 ≤ θ ≤ 90 градусів,
• a₁ = −|a₁|, якщо 90 < θ ≤ 180 градусів.

Векторна проєкція

Вектор проєкція а на b вектор a₁, який є або нульовим або паралельним b. Більш точно:

• a₁ = 0, якщо θ = 90°,
• a₁ та b мають однаковий напрямок, якщо 0 ≤ θ < 90 градусів,
• a₁ and b мають однаковий напрямок, якщо 90 < θ ≤ 180 градусів.

Матриця проєкції

Ортогональна проєкція може бути представлена матрицею проєкції. Для проєктування вектора на одиничний вектор a = (a_x, a_y, a_z), потрібно домножити на проєкцію матриці: $${\displaystyle P_{\mathbf {a} }=\mathbf {a} \mathbf {a} ^{\textsf {T}}={\begin{bmatrix}a_{x}\\a_{y}\\a_{z}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}a_{x}&a_{y}&a_{z}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}a_{x}^{2}&a_{x}a_{y}&a_{x}a_{z}\\a_{x}a_{y}&a_{y}^{2}&a_{y}a_{z}\\a_{x}a_{z}&a_{y}a_{z}&a_{z}^{2}\\\end{bmatrix}}}$$

Використання

Проєкція вектора є важливою операцією в процесі Грама — Шмідта ортогоналізації базису векторного простору. Також використовується в теоремі про розділову гіперплощину.

Узагальнення

Оскільки поняття довжини вектора і кута між векторами може бути узагальненим на будь-якому n-мірному простору, це вірно і для поняття ортогональної проєкції вектора, проєкції вектора на інший, а також відхилення одного вектора від іншого. У деяких випадках, скалярний добуток збігається з добутком точки. Всякий раз, коли вони не збігаються, то скалярний добуток використовується замість скалярного добутку в формальному визначенні проєкції та відхиленні.

Для отримання тривимірного внутрішнього простору, поняття проєкції вектора на інший і відхилення вектора від іншого може бути узагальнено на поняття проєкції вектора на площину, і відхилення вектора від площини.

Проєкція вектора на площині є її ортогональною проєкцією на цю площину. Відхилення вектора від площини є її ортогональною проєкцією на прямій лінії, ортогональної до цієї площини. Обидва вектора, по-перше, паралельно площині, по-друге ортогонально. Для даного вектора і площини, сума проєкції і відхилення дорівнює вихідному вектору.

Так само для  внутрішніх  просторів у більш ніж трьох вимірах, поняття  проєкції на вектор  та відхилення від вектора можна узагальнити на поняття проєкції на гіперплощину, і відхилення від гіперплощини.

Див. також

• Скалярний добуток
• Скалярна проєкція

Примітки

1. Dot Products and Projections. Архів оригіналу за 31 травня 2016. Процитовано 31 травня 2016.
2. Другий скалярний добуток, квадратний корінь не відображені, але вони потрібні для обчислень; ${\displaystyle \mathbf {\hat {b}} ={\mathbf {b} }/{|\mathbf {b} |}}$ (більш докладно див. у визначенні Норма (математика))

Джерела

• Гельфанд И. М. Лекции по линейной алгебре. — 5-е. — Москва : Наука, 1998. — 320 с. — ISBN 5791300158.(рос.)
• Гантмахер Ф. Р. Теорія матриць. — 2024. — 703 с.(укр.)
• Скалярний добуток і проєкція вектора із прикладами