Taso

Tason alkio on havainnon mukaan piste, jonka komponentteja ja sanotaan myös sen koordinaateiksi. Kun tarkastellaan lineaarisia eli 'suoraviivaisia' ilmiöitä, on usein havainnollisempaa kuvata alkiota vektorina origosta pisteeseen .

Tätä tulkintaa käyttäen asetetaan vektorien ja summaksi vektori

.

Summan määräytymistä kuvaavassa kuviossa summavektori on suunnikkaan halkaisija, suuntajana .

Jos summassa asetetaan , saadaan

.

Edelleen

, jne.

Yleisesti , kun . Edelleen voidaan sopia, että , joka on vektorille vastakkaissuuntainen, mutta yhtä pitkä vektori. Tästä saadaan samaan tapaan kuin edellä myös kaikilla negatiivisilla kokonaisluvuilla kerrotut vektorit. Tämän jälkeen pätee aina, kun .

Kokonaisluvuilla kertomisen suuntaamana asetetaankin jokaiselle reaaliluvulle ja jokaiselle vektorille näiden tuloksi vektori:

.

Vaikka kerroin voi olla muukin kuin kokonaisluku eli mikä tahansa reaaliluku, sanotaan vektoria silti yleisesti vektorin (yleistetyksi) monikerraksi. (Tarkemmin pitäisi siis puhua reaaliluvun ja vektorin tulosta tai reaaliluvulla kerrotusta vektorista.)

Havainnollistuksissa ajatellaan myös, että vektoria voi esittää mikä tahansa suuntajana, joka on yhtä pitkä ja saman suuntainen kuin origosta lähtevä suuntajana. Suuntajana on siis vektorin edustaja, ilmentymä.

Esimerkiksi alla olevassa, summan muodostumista esittävässä kuvassa vektoria voi esittää sekä suuntajana että suuntajana . Samoin vektoria voi esittää sekä suuntajana että suuntajana . Vektoreiden yhteenlasku voidaankin havainnollistaa asettamalla vektoreita edustavat suuntajanat 'peräkkäin'.

Vektori on nollavektori ja vektori on vektorin vastavektori. Vektorien ja erotus on vektori

.

Esimerkki 2.1.

Vektoreille ja - jotka ovat eri vektorit, koska niiden komponentit ovat eri järjestyksessä - on

,

   ja

.

 

Opiskelutehtävä 1

Piirrä tason vektoreille , ja vektorit ja sekä lue kuvasta tulosvektoreiden koordinaatit. Kokeile yhdistellä vektoreita myös eri järjestyksessä. Tarkista tulokset laskemalla kyseiset vektorit.

Vinkki tehtävään 1

Seuraavat tason vektoreita koskevat laskusäännöt on helppo todeta oikeiksi ja se tehtävä jätetäänkin lähes täysin lukijalle.

Lause 2.2.

Tason vektoreille , ja sekä reaaliluvuille ja pätevät seuraavat säännöt.

A    (1)

(2)

(3)

(4)

 

B    (1)

(2)

(3)

(4) .

Todistus. Käydään tässä esimerkkinä läpi vain ensimmäinen kohta. Tason vektoreille ja saadaan lukujen yhteenlaskun vaihdannaisuuden perusteella, että

 

mikä todistaakin kohdan A(1).

 

Taso on tällöin esimerkki yleisemmästä struktuurista, vektoriavaruudesta. Puhutaan myös lineaariavaruudesta tai lineaarisesta avaruudesta. Yleisesti vektoriavaruuksiksi sanotaan mitä tahansa joukkoa, jossa on sillä tavalla määritellyt alkioiden yhteenlasku ja reaaliluvulla kertominen, että lauseessa 2.2 luetellut ominaisuudet täyttyvät.

Edellisen lauseen mukaan kaikki samantapaiset yhteen- ja kertolaskuja koskevat laskulait kuin luvuille toimivat myös vektoreille ja sen monikerroille. Yleisen käytännön mukaisesti monikerrassa vain luku kirjoitetaan aina vektorin vasemmalle puolelle: kirjoitetaan siis eikä .

Esimerkki 2.3.

Jos ja , voidaan yhtälöstä vektori ratkaista edellä olevia laskulakeja käyttäen esimerkiksi seuraavasti:

 

Huomioi, että tässä yhtälö ratkaistiin pitämällä vektorit ensin yleisinä ja vasta lopussa sijoitettiin niiden konkreettiset arvot.

 

Esimerkki 2.4.

Osoitetaan, että suunnikkaan halkaisijat puolittavat toisensa. Olkoon suunnikkaassa vektori ja vektori . Suuntajanan keskipiste on silloin suuntajanan eli vektorin

 

päätepiste. Suuntajana taas edustaa vektoria ja sen keskipiste on suuntajanan eli vektorin

 

päätepiste. Keskipisteet ovat siten saman suuntajanan päätepisteinä samat. Tämä yhteinen piste on näin ollen halkaisijoiden leikkauspiste ja puolittaa ne molemmat.

 

Opiskelutehtävä 2

Määrää luvut ja niin, että . Tee se sekä laskemalla että geometrisesti.

Vinkki tehtävään 2

Tasossa akselien suuntaisilla vektoreilla

 

on erityisiä ominaisuuksia: Ensinnäkin, jos on mielivaltainen tason vektori, niin

 

Jokainen vektori voidaan siis esittää vektoreiden ja ns. lineaarikombinaationa

.

Toiseksi tämä esitys on yksikäsitteinen: jos kerrointa tai muutetaan, summa (eli vektori  ) muuttuu myös.

Sanotaan, että vektorit ja muodostavat tason luonnollisen kannan. Niiden lineaarikombinaationa voidaan siis esittää jokainen tason vektori ja lisäksi kukin vain yhdellä tavalla (eli vain yksin kertoimin).

Usein käytetään luonnollisen kannan vektoreista myös merkintöjä ja , jolloin siis jokaisella vektorilla on myös esitys

.