Vektor

Ez a szócikk a matematikai fogalomról szól. Hasonló címmel lásd még: Vektor (egyértelműsítő lap).

A vektor a matematikában használatos fogalom, a lineáris algebra egyik alapvető jelentőségű mennyisége. Általában az ember a vektorokkal mint irányított szakaszokkal szokott találkozni, de a matematikában a jelentése ennél lényegesen bőségesebb. A fogalom különböző irányú általánosításai egyes tudományágakban is megjelennek. Így például a biológiában vektornak nevezik a fertőzéseket terjesztő élőlényeket, hatásokat. Az analógia teljesen világos, a hordozótól a fertőzöttig vezető utat pont a köztesgazda jelenti, azaz két pontot egy meghatározott irányban köt össze.

A matematikában azonban sokkal elvontabb vektorokat is ismerünk. Ezek haszna sokszor a laikusok számára végképp nem nyilvánvaló, és ritkán ismertek, közismertek. Alkalmazásaik azonban széles körűek, különösen a modern tudományokban.

Általános leírás

A vektor a matematikában egy felettébb fontos fogalom. Alkalmazásai rendkívül sokrétűek, a geometriától az absztrakt analízisig mindenhol lehet velük találkozni. Ennek megfelelően az értelmezése is többféleképpen történhet.

Maguk a vektorok a számok egyfajta általánosításainak is tekinthetőek. Ezzel a megközelítéssel főleg az algebrai definíciók dolgoznak, és ekkor legjellemzőbb alkalmazásaik az egyenletrendszerek kezelése.

Mivel a fogalom eredete a fizika, ezért fizikai és geometriai meggondolások is szolgálhatnak alapjául, ekkor főleg a viselkedésük lesz a definíció alapja. A legközkeletűbb értelmezése a fogalomnak is geometriai: olyan szakasz, amit a nagyságán túl az iránya is jellemez. Ez szinte tipizálja a fogalmat, hiszen így olyan mennyiségeket, mint a sebesség vagy az erő, kényelmesen szemléletessé tudunk tenni.[1]

A vektorok legáltalánosabb, és így legmélyebb definícióját az analízisben találjuk, ahol a vektorok egy bizonyos típusú halmazhoz rendelhető másik halmaz elemei. Ez felettes értelmezése a fenti két definíciónak, hiszen mindkettőt magába foglalja.

Definíció

Lineáris algebra

Legyen E {\displaystyle {\mathcal {E}}} euklideszi geometriai tér. Ekkor a E × E {\displaystyle {\mathcal {E}}\times {\mathcal {E}}} halmaz elemeit, mint rendezett párokat irányított szakasznak nevezzük. Tekintsük most a térben a párhuzamos eltolásokat. Ezek segítségével E × E {\displaystyle {\mathcal {E}}\times {\mathcal {E}}} felett egy ekvivalenciarelációt határozhatunk meg.

Két pontpárt, ( A , B ) {\displaystyle (A,B)} -t és ( C , D ) {\displaystyle (C,D)} -t ekvivalensnek tekintünk, ha van olyan p {\displaystyle p} párhuzamos eltolás, hogy p ( A ) = C {\displaystyle p(A)=C} és p ( B ) = D {\displaystyle p(B)=D} .

Az ekvivalenciarelációk a halmazt faktorhalmazokra bontják. Az E × E {\displaystyle {\mathcal {E}}\times {\mathcal {E}}} felett az előbbiekben bevezetett ekvivalenciareláció faktorhalmazait szabadvektoroknak, a faktorhalmazok elemeit a szabadvektor reprezentánsainak nevezzük.

Geometria

A geometriában a vektorok az eltolások, mint transzformációk meghatározásában játszanak szerepet. Legyen ugyanis α {\displaystyle \alpha } és β {\displaystyle \beta } két párhuzamos sík. Ha a távolságuk d 0 {\displaystyle d\neq 0} , akkor a tér bármely X {\displaystyle X} pontjához olyan módon rendel hozzá egy X {\displaystyle X'} pontot, hogy | X X | = 2 d {\displaystyle |XX'|=2d} . Ezen túl az X {\displaystyle X} és Y {\displaystyle Y} pontok képe olyan, hogy X X | | Y Y {\displaystyle XX'||YY'} és egyező irányításúak. Ezt a leképezést eltolásnak nevezzük.

Világos, hogy az eltoláshoz elegendő az ( X , X ) {\displaystyle (X,X')} pontpárt megadni, mivel ez bármely pontnak a képét megadja a fentebbiek szerint.[2] Az ( X , X ) {\displaystyle (X,X')} párt ekkor vektornak nevezzük. Eszerint egyébként a konkrét síkokra nincs is szükség, kizárólag a távolságuk és fekvésük lényeges.

A fentebbiek során a lineáris algebrai definíció szerinti osztályozást is megvalósítottuk, tehát itt is lehet beszélni az adott irányítású és hosszúságú vektorok ekvivalenciaosztályáról, amit ez alapján szabadvektornak nevezünk. Ha rögzítünk egy O {\displaystyle O} pontot, akkor a szabadvektorok azon reprezentánsait, amik kezdőpontja O {\displaystyle O} , kötött vektoroknak nevezzük. Ezek például egy koordináta-rendszer pontjait határozhatják meg.

Analízis

Legyen T {\displaystyle T} test,[3] H {\displaystyle H} pedig halmaz. Ha értelmezünk két függvényt:

+ : H × H H {\displaystyle +:H\times H\rightarrow H} , amit általában összeadásnak nevezünk, és
. : T × H H {\displaystyle .:T\times H\rightarrow H} , amit leggyakrabban skalárral való szorzás néven emlegetünk,

úgy, hogy a + asszociatív, kommutatív, invertálható és van neutrális eleme, valamint α , β T {\displaystyle \forall \alpha ,\beta \in T} és x , y H {\displaystyle \forall x,y\in H} esetén

  • α . ( β . x ) = ( α β ) . x {\displaystyle \alpha .(\beta .x)=(\alpha \cdot \beta ).x}
  • ( α + β ) . x = α . x + β . x {\displaystyle (\alpha +\beta ).x=\alpha .x+\beta .x}
  • α . ( x + y ) = α . x + α . y {\displaystyle \alpha .(x+y)=\alpha .x+\alpha .y}
  • 1. x = x {\displaystyle 1.x=x}

teljesül, akkor H {\displaystyle H} -t a T {\displaystyle T} test feletti vektortérnek nevezzük, H {\displaystyle H} elemeit pedig vektoroknak.

Mint látható, az analitikus definíció olyan mértékben absztrakt, hogy egészen furcsa halmazokat is tudunk vektortérként kezelni. Ilyen lehet például a T {\displaystyle T} -ben haladó konvergens sorozatok halmaza, vagy a H T {\displaystyle H\rightarrow T} függvények halmaza.

Vektorműveletek

Két vektor összege rajzban a paralelogramma-szabály szerint képezhető

A vektorműveletek értelmezése céljából érdemes a szemléletes és áttekinthető geometriai képből kiindulni. Ekkor a vektorokat irányított szakaszként, nyíllal ábrázoljuk, és így a jelentésük is a köznapi fogalmakkal megragadhatóvá válik. Ezeken keresztül néhány egyéb fogalom is világossá válik.

Összeadás

Miután a szabadvektorokat a reprezentánsaikkal is jellemezhetjük, két szabadvektor összegét is így tudjuk értelmezni. Az a {\displaystyle {\vec {a}}} és b {\displaystyle {\vec {b}}} vektorok összegzését egy köztes pont felvételével tudjuk meghatározni. Vegyünk fel egy B {\displaystyle B} pontot, és tekintsük az a {\displaystyle {\vec {a}}} vektor azon reprezentánsát, aminek végpontja B {\displaystyle B} , és a b {\displaystyle {\vec {b}}} vektor azon reprezentánsát, aminek kezdőpontja B {\displaystyle B} . Ekkor a c = a + b {\displaystyle {\vec {c}}={\vec {a}}+{\vec {b}}} vektor egy reprezentánsát az a {\displaystyle {\vec {a}}} vektor kezdőpontja és a b {\displaystyle {\vec {b}}} végpontja jelöli ki. Ezt paralelogramma-szabálynak nevezzük. Az elnevezés a mellékelt ábra alapján válik érthetővé.

Szemléletesen, ha a vektorokat elmozdulásnak tekintjük, az A B {\displaystyle {\vec {AB}}} vektor az A {\displaystyle A} pontból B {\displaystyle B} pontba jutást jelenti. Hasonlóan a B C {\displaystyle {\vec {BC}}} vektor is értelmezhető, ekkor pedig az összegvektoruk az A {\displaystyle A} -ból C {\displaystyle C} -be jutást jelenti, azaz A B + B C = A C {\displaystyle {\vec {AB}}+{\vec {BC}}={\vec {AC}}} .

E definíció alapján ellenőrizhető, hogy a definícióban megkövetelt feltételek az összeadásra hogyan teljesülnek.

Szorzatok

A vektorokból a szorzásra emlékeztető művelet többféle is definiálható. Ebből egy külső, három pedig belső művelet.[4]

Skalárral szorzás

A skalárral való szorzás[5] ötlete a szorzat, mint ismételt összeadás hasonlóságából ered:

λ . a = a + a + + a λ  darab {\displaystyle \lambda .{\vec {a}}=\underbrace {{\vec {a}}+{\vec {a}}+\dots +{\vec {a}}} _{\lambda {\text{ darab}}}} , ha λ N {\displaystyle \lambda \in \mathbb {N} } .

Mivel ebben az esetben a vektor hossza nőtt meg, adja magát, hogy a λ . a {\displaystyle \lambda .{\vec {a}}} vektor a {\displaystyle {\vec {a}}} -val párhuzamos, és annál λ {\displaystyle \lambda } -szor hosszabb bármilyen T {\displaystyle T} -beli elem esetén.

Mivel T {\displaystyle T} elemeit nevezzük skalárnak, adja magát az elnevezés is. A skalár szó ugyan számot jelent, de ez nem jelent problémát, mivel T {\displaystyle T} általában számhalmaz, rendszerint a valós vagy komplex számok teste.

Lineáris kombináció

A skalárral való szorzás eredménye vektor, így a vektortér eleme, és az összeadásban tag lehet. Ha adott a {\displaystyle {\vec {a}}} , b {\displaystyle {\vec {b}}} és c {\displaystyle {\vec {c}}} , valamint α {\displaystyle \alpha } , β {\displaystyle \beta } és γ {\displaystyle \gamma } skalárok, akkor lineáris kombinációnak nevezzük az alábbi vektort:

r = α . a + β . b + γ . c {\displaystyle {\vec {r}}=\alpha .{\vec {a}}+\beta .{\vec {b}}+\gamma .{\vec {c}}}

Általános alakban írva a lineáris kombináció:

i = 1 n α i . a i {\displaystyle \sum _{i=1}^{n}\alpha _{i}.{\vec {a_{i}}}}

Ennek segítségével lehet értelmezni a vektortér dimenzióját is. A nullvektort ugyanis elő lehet állítani

0 = 0. a 1 + 0. a 2 + {\displaystyle {\vec {0}}=0.{\vec {a_{1}}}+0.{\vec {a_{2}}}+\dots }

alakban. Ezt triviális előállításnak nevezzük. Előfordulhat azonban, hogy a zérusvektort nem nulla skalárokkal is megkaphatjuk, ekkor az ( a i ) {\displaystyle ({\vec {a_{i}}})} rendszert lineárisan függőnek mondjuk. A legbővebb olyan rendszert, ami lineárisan független a vektortérben, a tér bázisának nevezzük. A bázis elemszáma lesz a vektortér dimenziója.

Ha pedig van egy bázisunk egy vektortérben, akkor bármely vektor megadható egyértelműen a bázis lineáris kombinációjaként. Az együtthatókat ekkor a vektor koordinátáinak nevezzük. Könnyen belátható, hogy két vektor összegének koordinátái a két vektor koordinátáinak összege.

Skaláris szorzat

Egyes fizikai összefüggések vektormennyiségekből skaláris értékek létrehozását igénylik. Ilyen például a munka kiszámításának a problémája. A definíció is őrzi a fizikai eredetet: a két vektor szorzata legyen maximális, ha párhuzamosak, és nulla, ha merőlegesek, továbbá a szorzat legyen lineáris függvénye a két vektor hosszának.

Az első feltétel szerint a szorzat a két vektor által bezárt szögtől függ. A legegyszerűbb függvény, ami ezt a feltételt kielégíti, a koszinusz függvény. A második feltétellel együtt a szorzat kiszámítására a

a b = a b cos ϕ {\displaystyle {\vec {a}}{\vec {b}}=a\cdot b\cdot \cos \phi }

képlet szolgál, ahol a {\displaystyle a} az a {\displaystyle {\vec {a}}} vektor hossza.

Könnyen belátható, hogy a skaláris szorzat kommutatív és a vektorok összeadására nézve disztributív, de nem asszociatív művelet.

A skaláris szorzat adott bázis esetén könnyebben is kiszámítható. Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy a bázis vektorai egymásra merőlegesek, ez mindig elérhető a Gram–Schmidt-eljárás segítségével például. Ekkor az a {\displaystyle {\vec {a}}} és b {\displaystyle {\vec {b}}} vektorok a bázis lineáris kombinációjaként felírva:

a = a i e i {\displaystyle {\vec {a}}=\sum a_{i}{\vec {e}}_{i}}
b = b i e i {\displaystyle {\vec {b}}=\sum b_{i}{\vec {e}}_{i}}

lesznek. A szorzáskor figyelembe véve a skaláris szorzat disztributivitását és az egységvektorok merőlegességét kapjuk:

a b = a i b i {\displaystyle {\vec {a}}{\vec {b}}=\sum a_{i}b_{i}} .

Például számoljuk ki a a = ( 2 , 1 , 3 ) {\displaystyle {\vec {a}}=(2,1,3)} és b = ( 4 , 2 , 3 ) {\displaystyle {\vec {b}}=(4,-2,-3)} vektorok skaláris szorzatát:

a b = 2 4 + 1 ( 2 ) + 3 ( 3 ) = 8 2 9 = 3 {\displaystyle {\vec {a}}{\vec {b}}=2\cdot 4+1\cdot (-2)+3\cdot (-3)=8-2-9=-3} .

Nem merőleges bázisvektorok esetén a skaláris szorzat vegyes tagokat is fog tartalmazni, valamint egy, a bázist jellemző operátort.

Ha egy vektort önmagával szorzunk, akkor a definíció értelmében a hosszának a négyzetét kapjuk. Ezt a koszinusztétel bizonyítása során is kihasználjuk.

A matematikában a vektor fogalmának általánosítása okán a skaláris szorzatot belső szorzat néven szokás emlegetni.

Vektoriális szorzat

A vektoriális szorzat egy kizárólag három és hét[6] dimenzióban értelmezhető belső szorzat. Eredete a skaláris szorzathoz hasonlóan fizikai: elsősorban a forgatónyomaték kezelésében bukkan fel, de később több más területen is kényelmesnek bizonyult a használata. A definíciója is ennek megfelelően elsősorban technikai jellegű. Legyen a {\displaystyle {\vec {a}}} és b {\displaystyle {\vec {b}}} két vektor. Ekkor hozzájuk rendelhető egy harmadik c {\displaystyle {\vec {c}}} vektor a következő szabályok szerint:

  1. c = 0 {\displaystyle {\vec {c}}=0} , ha a | | b {\displaystyle {\vec {a}}||{\vec {b}}} ;
  2. c {\displaystyle {\vec {c}}} maximális, ha a vektorok merőlegesek egymásra;
  3. a szorzat egyenesen arányos a a {\displaystyle {\vec {a}}} és b {\displaystyle {\vec {b}}} hosszával.
  4. a három vektor úgy helyezkedik el egymáshoz képest, mint a koordináta-rendszer x, y és z tengelyei.

Az első két feltételt a vektorok által bezárt szög szinusza is kielégíti, így a harmadik feltétellel együtt a skaláris szorzathoz hasonlóan a

a × b = a b sin ϕ {\displaystyle {\vec {a}}\times {\vec {b}}=a\cdot b\cdot \sin \phi }

képletet írhatjuk fel. Ebben nincsen benne a szorzatvektor iránya, úgyhogy azt továbbra is külön fel kell írnunk.

A vektoriális szorzat nem asszociatív, de ez nem meglepő. Még kevésbé meglepő, hogy nem kommutatív, viszont antikommutatív, azaz a × b = b × a {\displaystyle {\vec {a}}\times {\vec {b}}=-{\vec {b}}\times {\vec {a}}} . A vektorok összeadására nézve disztributív.

A tér merőleges bázisvektorai esetén érvényes összefüggések:

  1. e 1 × e 2 = e 3 {\displaystyle {\vec {e}}_{1}\times {\vec {e}}_{2}={\vec {e}}_{3}}
  2. e 2 × e 3 = e 1 {\displaystyle {\vec {e}}_{2}\times {\vec {e}}_{3}={\vec {e}}_{1}}
  3. e 3 × e 1 = e 2 {\displaystyle {\vec {e}}_{3}\times {\vec {e}}_{1}={\vec {e}}_{2}} ,

ezeket a koordinátás alak kiszámításakor használjuk ki.

A fenti tulajdonságok alapján levezethető a vektorok szorzatára vonatkozó számítási módszer: Ha a × b = c {\displaystyle {\vec {a}}\times {\vec {b}}={\vec {c}}} , akkor

c 1 = a 2 b 3 a 3 b 2 {\displaystyle {\vec {c}}_{1}={\vec {a}}_{2}{\vec {b}}_{3}-{\vec {a}}_{3}{\vec {b}}_{2}}
c 2 = a 3 b 1 a 1 b 3 {\displaystyle {\vec {c}}_{2}={\vec {a}}_{3}{\vec {b}}_{1}-{\vec {a}}_{1}{\vec {b}}_{3}}
c 3 = a 1 b 2 a 2 b 1 {\displaystyle {\vec {c}}_{3}={\vec {a}}_{1}{\vec {b}}_{2}-{\vec {a}}_{2}{\vec {b}}_{1}} .

Például az a = ( 2 , 5 , 2 ) {\displaystyle {\vec {a}}=(2,5,-2)} és b = ( 3 , 4 , 1 ) {\displaystyle {\vec {b}}=(3,-4,-1)} vektorok vektoriális szorzata:

c 1 = 5 ( 1 ) ( 2 ) ( 4 ) = 5 8 = 13 {\displaystyle {\vec {c}}_{1}=5\cdot (-1)-(-2)\cdot (-4)=-5-8=-13}
c 2 = ( 2 ) 3 2 ( 1 ) = 6 + 2 = 4 {\displaystyle {\vec {c}}_{2}=(-2)\cdot 3-2\cdot (-1)=-6+2=-4}
c 3 = 2 ( 4 ) 5 3 = 8 15 = 23 {\displaystyle {\vec {c}}_{3}=2\cdot (-4)-5\cdot 3=-8-15=-23} .

Skaláris szorzással ellenőrizhet, hogy e vektor mindkettő tényezőre merőleges.

Tenzori (diadikus) szorzat

A vektorok legáltalánosabb szorzata a fizikában a tenzormennyiségek definiálására is szolgál. A tenzorszorzat két vektorhoz egy lineáris leképezést rendel az alábbi definíció szerint:

L ^ x = a . ( b x ) = ( a b ) x {\displaystyle {\hat {L}}{\vec {x}}={\vec {a}}.\left({\vec {b}}{\vec {x}}\right)=\left({\vec {a}}\circ {\vec {b}}\right){\vec {x}}}

A definíció valamely koordináta-rendszerben kifejtve a tenzorszorzat egy reprezentációját kapjuk:

L ^ i j = a i b j {\displaystyle {\hat {L}}_{ij}={\vec {a}}_{i}{\vec {b}}_{j}} [7]

A vektorok tenzorszorzatával a tenzoralgebra foglalkozik alaposabban.

Példaként szorozzuk össze a u = ( 3 , 2 , 5 ) {\displaystyle {\vec {u}}=\left(3,-2,5\right)} és a v = ( 4 , 2 , 3 ) {\displaystyle {\vec {v}}=\left(4,2,-3\right)} vektorokat!

3 4 = 12 {\displaystyle 3\cdot 4=12} 3 2 = 6 {\displaystyle 3\cdot 2=6} 3 ( 3 ) = 9 {\displaystyle 3\cdot (-3)=-9}
( 2 ) 4 = 8 {\displaystyle (-2)\cdot 4=-8} ( 2 ) 2 = 4 {\displaystyle (-2)\cdot 2=-4} ( 2 ) ( 3 ) = 6 {\displaystyle (-2)\cdot (-3)=6}
5 4 = 20 {\displaystyle 5\cdot 4=20} 5 2 = 10 {\displaystyle 5\cdot 2=10} 5 ( 3 ) = 15 {\displaystyle 5\cdot (-3)=-15}

A szorzat tehát:

( 12 6 9 8 4 6 20 10 15 ) {\displaystyle {\begin{pmatrix}12&6&-9\\-8&-4&6\\20&10&-15\end{pmatrix}}}

Alkalmazások

A vektoroknak számtalan alkalmazása van. Ezek főleg a matematikához, fizikához és informatikához kötődnek. Legtöbbször egyfajta általánosítása a hagyományos vektorfogalomnak az egyes tudományágak saját fogalomalkotása, de az analógia legtöbbször nyilvánvaló.

A matematikában

Jellemzően a lineáris algebrában fordulnak elő vektorok, illetve ehhez kapcsolódóan az analitikus geometriában.

A lineáris algebra az egyenletrendszereket lineáris egyenletekhez hasonló módon kezelő eszközöket kap, ha az ismeretleneket és az egyenletek jobb oldalát egy-egy vektorként kezeljük, ekkor az együtthatók ugyanis egy leképezés mátrixának alakját fogja ölteni. Például

Egyenletrendszer Egyenlet
a 11 x 1 + a 12 x 2 + + a 1 n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + + a 2 n x n = b 2 a n 1 x 1 + a n 2 x 2 + + a n n x n = b n {\displaystyle {\begin{aligned}a_{11}x_{1}+a_{12}x_{2}+\dots +a_{1n}x_{n}&=b_{1}\\a_{21}x_{1}+a_{22}x_{2}+\dots +a_{2n}x_{n}&=b_{2}\\&\vdots \\a_{n1}x_{1}+a_{n2}x_{2}+\dots +a_{nn}x_{n}&=b_{n}\end{aligned}}} a x = b {\displaystyle ax=b}
A ^ x = b {\displaystyle {\hat {A}}{\vec {x}}={\vec {b}}} a x = b {\displaystyle ax=b}
x = A ^ 1 b {\displaystyle {\vec {x}}={\hat {A}}^{-1}{\vec {b}}} x = a 1 b = b a {\displaystyle x=a^{-1}b={\frac {b}{a}}}

A koordinátageometriában a vektorok tulajdonképpen a pontokat jelölik ki, így helyvektorként funkcionálnak, a vektorokból pedig a fentebb említett műveletek segítségével a geometria legalapvetőbb ponthalmazai építhetőek fel. Ez egyben az összekötő kapocs is az algebra és a geometria között, aminek segítségével igazolható e két nagy terület egyenértékűsége.

Ezen túl a vektor fogalom általánosabb, elvontabb formája segítségével az analízis sok fogalma is kényelmesebben kezelhetővé válik. Ilyen például az intervallum felett korlátos függvények halmaza, vagy egy test felett értelmezett operátorok tere.

A vektorok segítségével lehet a Hilbert-tereket, mint speciális, skalárszorzatos tereket definiálni, amik a fizikai alkalmazások során nyernek jelentőséget, mivel a fizikai mennyiségeket a Hilbert-tereken ható operátorokkal jellemezzük.

A fizikában

A fizikában a vektorokat más szemlélettel definiáljuk, mint a matematikában. Mivel a fizika a világot koordináta-rendszerekben írja le, a legfontosabb mennyiségeket a koordináta-rendszerek közötti átmenet szempontjából, azaz a transzformációk során mutatott viselkedésük szerint írjuk le. Az alaptípus a koordináta-rendszert kifeszítő, egységvektorokból álló generátorhalmaz. Ekkor vektornak nevezünk minden olyan fizikai mennyiséget, amelyek úgy transzformálódnak, mint a koordináta-rendszert kifeszítő egységvektorok.

A vektorok azonban nem feltétlenül viselkednek azonosan a fentebbi meghatározással. A vektori szorzat esetén például a tükrözés során a két tényező előjelet vált, a szorzatvektor viszont nem:

( x ) × ( y ) = ( 1 ) 2 ( x × y ) {\displaystyle \left(-{\vec {x}}\right)\times \left(-{\vec {y}}\right)=\left(-1\right)^{2}\left({\vec {x}}\times {\vec {y}}\right)}

Az ilyen vektort, mivel tulajdonképpen egy tengelyt jelöl ki, axiálvektornak nevezünk.

A köznapi szemlélet szempontjából a fizikai vektorok legfontosabb tulajdonsága, hogy a nagyságuk mellett irányításuk is van. Ez alapján definiálhatóak a vektormennyiségek: olyan fizikai mennyiség, amit két mennyiség, irány és nagyság jellemez. Ez egyben három paramétert igényel, azonban speciális esetekben a koordináta-rendszer megfelelő megválasztásával egy vagy kettő zérussá tehető. Ez az oka, hogy a bevezető fizikai tanulmányok során az egyenes vonalú mozgások, állandó irányú hatások játszanak elsődleges szerepet.

A klasszikus fizika háromdimenziós vektorokkal foglalkozik, a relativisztikus fizika azonban a téridő leírására már négy paramétert alkalmaz, így itt a vektorok viselkedése teljesen váratlanná válhat a laikus szemlélő számára. A vektorokat három nagy csoportba sorolhatjuk: időszerű, fényszerű és térszerű vektorok.

Az időszerű vektorok hosszának négyzete pozitív, ezen vektorokhoz mindig találunk olyan koordináta-rendszert, hogy a vektor az időtengellyel párhuzamos lesz. Ha két esemény időszerű kapcsolatban van egymással, akkor mindig van olyan megfigyelő, aki számára a két esemény ugyanott, de egymás után történik. A legegyszerűbb időszerű kapcsolat a kauzalitás, azaz az egyik pont, mint esemény, oka a másiknak. Ha egy vektor időszerű, akkor minden megfigyelő számára időszerű a kapcsolat, ez fejezi ki a relativitáselmélet determinisztikusságát.

A térszerű vektorok hossznégyzete negatív,[8] azaz ezekhez mindig találunk olyan koordináta-rendszert, aminek egy térbeli koordinátatengelyével párhuzamosak. A gyakorlatban a térszerű kapcsolat két esemény között azt jelenti, hogy van olyan megfigyelő, aki számára a két esemény egyszerre történik, de eltérő helyeken.

A fényszerű vektorok hossznégyzete nulla, ezek tehát a koordináta-rendszerek transzformációja során nem változnak. Az elnevezés tükrözi szerepüket: a fényszerű vektorokat a fénysugarak jelölik ki, azaz a fény sebessége minden megfigyelő számára egyenlő.

A számítástechnikában

A számítástechnikában általában az egydimenziós tömböket nevezik vektornak, ez megfelel ugyanis a vektorkoordináták mátrixreprezentációjának. Ugyanakkor azonban egy tömb elemei nem csak számok lehetnek, ennyiben a matematikai vektorfogalomtól el is tér. A konkrét értelmezés általában a programozási nyelv része. Például a C++-ban a Vector egy konténer osztály, aminek elemei tetszőleges, akár több különböző típusba tartozó adatok lehetnek.

Jegyzetek

  1. Ez ugyanakkor a fogalom elmélyítését már jelentősen megnehezítheti!
  2. Konkrétan megadható a pár alapján bármely pont képének a szerkesztése.
  3. Fontos feltétel, hogy test legyen, ellenkező esetben a feltételeink "elromlanak".
  4. Belső művelet alatt azt értjük, hogy a szorzat tényezői mind a vektortérből erednek.
  5. Vigyázzunk, ne keverjük a később értelmezett skaláris szorzással!
  6. https://betterexplained.com/articles/cross-product/
  7. Ha jól megnézzük, feltűnő lesz, hogy a tenzor nyoma a két vektor skaláris szorzata. Három dimenzióban a főátló feletti és alatti elemek pedig a vektoriális szorzat tagjai lesznek.
  8. Ezért beszélünk a vektorok hosszának négyzetéről - ennek ugyanis van fizikai értelme.

Források

  • Jánossy Lajos, Tasnádi Péter – Vektorszámítás I (Vektor és tenzoralgebra), Nemzeti tankönyvkiadó, Budapest 2002 ISBN 963 19 3952 9
  • Király Bertalan – Lineáris algebra, EKTF Líceum kiadó, Eger 2004, ISBN 963 941714 9
  • Fényes Imre – Modern fizikai kisenciklopédia, Gondolat könyvkiadó, Budapest, 1971
  • Weisstein, Eric W.: Vektor (angol nyelven). Wolfram MathWorld
  • Sulinetes anyag a vektorokról
  • Magyarított, letölthető interaktív Flash szimuláció síkvektorok összeadásáról a PhET-től. Grafikus megjelenítés mellett a polár- és derékszögű koordinátákat is megadja.
  • Magyarított Flash szimuláció a derékszögű koordináták és a megfelelő egységvektorok kapcsolatáról. Szerző: David M. Harrison
Nemzetközi katalógusok
  • Fizika Fizikaportál
  • Matematika Matematikaportál