Độ dài chưa nói hết quan hệ giữa hai vectơ
Hai vectơ có độ dài không đổi nhưng góc giữa chúng có thể thay đổi. Tích vô hướng kết hợp độ dài với góc để cho ra một số, giúp ta tính góc, xét vuông góc và giải các bài hình học.
Đưa hai vectơ về chung gốc
Với hai vectơ khác $\vec0$, dời chúng về cùng gốc $O$: $\overrightarrow{OA}=\vec u$, $\overrightarrow{OB}=\vec v$. Góc giữa chúng là góc $AOB$ trong $[0^\circ;180^\circ]$.
Cùng hướng cho góc $0^\circ$, ngược hướng cho góc $180^\circ$. Khi hai mũi tên trên hình nối tiếp nhau, không được lấy ngay góc trong tam giác làm góc giữa chúng.
Tính theo độ dài và góc
Với $\vec u,\vec v\ne\vec0$, ta định nghĩa
$$\vec u\cdot\vec v=|\vec u||\vec v|\cos(\vec u,\vec v).$$
Nếu một vectơ bằng $\vec0$, tích vô hướng bằng $0$. Ví dụ $|\vec u|=3$, $|\vec v|=4$, góc $60^\circ$ thì $\vec u\cdot\vec v=3\cdot4\cdot\frac12=6$.
Kết quả là **số**, không phải vectơ. Với hai vectơ khác $\vec0$, tích dương, bằng $0$ hoặc âm tương ứng với góc nhọn, vuông hoặc tù (hai trường hợp cùng hướng, ngược hướng xét ở hai đầu khoảng).
Góc của hai vectơ nối tiếp
Trong tam giác đều $ABC$ cạnh $a$, góc giữa $\overrightarrow{BA}$ và $\overrightarrow{BC}$ là $60^\circ$. Nhưng $\overrightarrow{AB}$ ngược hướng với $\overrightarrow{BA}$, nên góc giữa $\overrightarrow{AB}$ và $\overrightarrow{BC}$ là $120^\circ$.
Vì thế $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{BC}=a^2\cos120^\circ=-a^2/2$. Đổi chiều một vectơ làm đổi dấu tích vô hướng.
Công thức tọa độ và góc
Nếu $\vec u=(u_1;u_2)$, $\vec v=(v_1;v_2)$ thì
$$\vec u\cdot\vec v=u_1v_1+u_2v_2.$$
Với hai vectơ khác $\vec0$:
$$\cos(\vec u,\vec v)=\frac{u_1v_1+u_2v_2}{\sqrt{u_1^2+u_2^2}\sqrt{v_1^2+v_2^2}}.$$
Hai vectơ khác $\vec0$ vuông góc khi tích vô hướng bằng $0$. Không đưa vectơ-không vào công thức tính cos vì mẫu sẽ bằng $0$.
Chứng minh một góc vuông
Cho $A(1;1), B(3;2), C(0;3)$. Ta có $\overrightarrow{AB}=(2;1)$ và $\overrightarrow{AC}=(-1;2)$.
$$\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=2(-1)+1\cdot2=0.$$
Hai vectơ đều khác $\vec0$, nên $AB\perp AC$. Tam giác $ABC$ vuông tại $A$. Lưu ý dùng hai vectơ có chung gốc tại đỉnh cần xét.
Các phép biến đổi thường dùng
Tích vô hướng giao hoán và phân phối đối với phép cộng:
$$\vec u\cdot\vec v=\vec v\cdot\vec u,\qquad \vec u\cdot(\vec v+\vec w)=\vec u\cdot\vec v+\vec u\cdot\vec w.$$
Ngoài ra $\vec u\cdot\vec u=|\vec u|^2$, nên
$$|\vec u+\vec v|^2=|\vec u|^2+2\vec u\cdot\vec v+|\vec v|^2.$$
Nếu một lực không đổi $\vec F$ làm vật dời theo $\vec s$, công là $\vec F\cdot\vec s$. Chẳng hạn lực $10$ N hợp hướng dời $60^\circ$, quãng dời $4$ m, cho công $10\cdot4\cos60^\circ=20$ J.
Tính theo tọa độ
Cho $\vec u=(1;2)$, $\vec v=(3;-1)$. Tích vô hướng bằng bao nhiêu?
Đúng phép cộng hai tích.
Đây là cặp số; tích vô hướng phải là một số.
Đã bỏ dấu âm của tung độ v.
Kiểm lại 3−2.
Lời giải
$\vec u\cdot\vec v=1\cdot3+2(-1)=1$.
Tìm điều kiện vuông góc
Giá trị nào của $m$ làm cho $\vec u=(2;m)$ và $\vec v=(3;-2)$ vuông góc?
Với $m=-3$, tích vô hướng bằng 12.
Giá trị này không làm $6-2m$ bằng 0.
Đã chia 6 cho 2 nhưng còn thiếu hệ số đúng của $m$.
Đúng. Khi $m=3$, tích vô hướng bằng 0.
Lời giải
Hai vectơ luôn khác vectơ-không. Điều kiện vuông góc là
$$\vec u\cdot\vec v=2\cdot3+m(-2)=0.$$
Suy ra $6-2m=0$, nên $m=3$. Chọn D.
Những điều cần nhớ
Đưa hai vectơ về chung gốc để nhìn góc. Dùng độ dài–cos khi biết góc, dùng tổng tích tọa độ khi biết tọa độ. Kiểm vectơ khác $\vec0$ trước khi tính góc bằng phép chia.
Đang học