MAT1052 · 6. hafta · Taylor Series, Vectors, Dot Product
Vektörler ve nokta çarpım (dot product)
Uzayda vektörlerle işlem yapmayı, uzunluk ve birim vektör bulmayı, nokta çarpımla açı, diklik, izdüşüm ve iş hesaplamayı öğrenirsin. Çok değişkenli kısmın bütün geometrisi bu dille yazılır.
vectorcomponent formmagnitudeunit vectordot productangle between vectorsorthogonalvector projectionscalar componentdirection cosineswork
haftanın ikinci yarısında dersin konusu tamamen değişiyor: serilerden üç boyutlu uzayın geometrisine geçiyoruz. Bundan sonraki her konu (doğrular ve düzlemler, yüzeyler, gradient, yönlü türev, teğet düzlem, Lagrange çarpanları) vektör diliyle yazılır. Bu yüzden bu sayfadaki işlemleri hızlı ve hatasız yapabilmen sonraki sekiz haftayı kolaylaştırır. Sınavda doğrudan “find the angle / projection / work” soruları gelir, ama asıl önemi sonraki konularda ara adım olarak sürekli kullanılması.
Altın kurallar:
Vektör = yön + uzunluk. Bileşenleri ⟨v1,v2,v3⟩ ile yazılır. PQ = bitiş eksi başlangıç.
Nokta çarpımın sonucu bir sayıdır, vektör değil.
u⋅v=0 ise vektörler diktir. Bu, bütün diklik sorularının tek satırlık testi.
İzdüşümde paydada ∣v∣2 (vektör izdüşüm), skaler bileşende ∣v∣ var. Karıştırma.
Vektörler: tanım ve temel işlemler
Uzayda bir noktayı (x,y,z) ile, bir vektörü ⟨v1,v2,v3⟩ ile gösteririz. Vektörün başlangıç noktası önemli değil; aynı yönü ve uzunluğu olan bütün oklar aynı vektördür. P(x1,y1,z1)‘den Q(x2,y2,z2)‘ye giden vektör
PQ=⟨x2−x1,y2−y1,z2−z1⟩.
Standart birim vektörlerle v=v1i+v2j+v3k diye de yazılır; i=⟨1,0,0⟩, j=⟨0,1,0⟩, k=⟨0,0,1⟩.
İşlem
Formül
Örnek (u=⟨2,−1,3⟩, v=⟨1,4,−2⟩)
Toplama
bileşen bileşen
u+v=⟨3,3,1⟩
Skalerle çarpma
her bileşeni çarp
2u=⟨4,−2,6⟩
Uzunluk (magnitude)
v12+v22+v32
∣u∣=14
Birim vektör (unit vector)
v/∣v∣
141⟨2,−1,3⟩
Birim vektörün uzunluğu 1‘dir; sadece yönü taşır. ”v yönünde uzunluğu 5 olan vektör” istenirse 5∣v∣v yazarsın.
Sezgi. Toplama “uç uca ekleme”dir: önce u kadar git, sonra oradan v kadar git, vardığın yer u+v. Paralelkenar kuralı da aynı şeyi söyler.
Nokta çarpım (dot product)
Tanım.
u⋅v=u1v1+u2v2+u3v3.
Geometrik anlam.θ iki vektör arasındaki açı (0≤θ≤π) ise
Sezgi. Nokta çarpım “iki vektör aynı yöne ne kadar bakıyor” sorusunun cevabı. Aynı yöndelerse cosθ=1 ve çarpım en büyük. Dikse 0. Zıt yöndelerse negatif.
Örnek 2 (diklik).⟨1,2,3⟩ ile ⟨3,0,−1⟩: 3+0−3=0, diktir.
TUZAK · açının aralığı.arccos her zaman [0,π] aralığında değer verir. Vektörler arası açı negatif ya da 180∘‘den büyük olamaz. Hesap makinesini doğru modda (derece/radyan) kullan ve sorunun hangisini istediğine bak.
İzdüşüm (projection)
u‘nun v üzerine izdüşümü, u‘nun ucundan v doğrultusuna dik inince oluşan gölgedir.
İzdüşüm v‘ye paraleldir. u−projvu ise v‘ye diktir. Böylece her vektörü “paralel + dik” diye iki parçaya ayırabilirsin. Fizikte bir kuvveti eğik düzleme paralel ve dik bileşenlerine ayırmak tam olarak bu.
Örnek 3. Örnek 1’deki vektörlerle: projvu=21−8⟨1,4,−2⟩. Katsayı negatif, yani izdüşüm v‘nin tersi yönünde. Bu da açının geniş olmasıyla tutarlı.
İPUCU · hangisinin üzerine?projvu‘da paydada üzerine izdüşüm alınan vektörün (v) uzunluğu var ve sonuç onun yönünde. u ile v‘yi yer değiştirirsen bambaşka bir vektör bulursun.
Yön kosinüsleri aslında birim vektörün bileşenleri. Bu yüzden kareleri toplamı 1.
İş (work)
Sabit bir F kuvveti cismi D kadar yer değiştirirse yapılan iş
W=F⋅D=∣F∣∣D∣cosθ.
Sadece kuvvetin hareket yönündeki bileşeni iş yapar. Kuvvet hareket yönüne dikse iş sıfır.
Örnek 4.∣F∣=5 N, F=⟨3,0,4⟩ ve cisim ⟨6,0,8⟩ m kadar yer değiştiriyor: W=18+32=50 J. Kuvvet ve yer değiştirme aynı yönde (D=2F), cosθ=1, W=5⋅10=50. İki yoldan aynı sonuç.
Örnek 5 (açı verilerek).40 N’luk bir kuvvet yatayla 60∘ açı yapan bir iple bir kutuyu yatayda 10 m çekiyor: W=40⋅10⋅cos60∘=200 J.
Sık yapılan hatalar
Yanlış
Doğrusu
PQ=P−Q
Bitiş eksi başlangıç: Q−P
Nokta çarpımın sonucunu vektör yazmak
Sonuç skaler
∣u+v∣=∣u∣+∣v∣
∣u+v∣2=∣u∣2+2u⋅v+∣v∣2
İzdüşümde paydaya ∣v∣ yazmak
Vektör izdüşümde ∣v∣2
projvu ile projuv‘yi karıştırmak
Sonuç, üzerine izdüşüm alınan vektör yönünde
Üçgende açıyı yanlış vektörlerle bulmak
İki vektör de o köşeden çıkmalı
Birim vektörü v/∣v∣2 yazmak
v/∣v∣
Açının 180∘‘den büyük çıkması
arccos∈[0∘,180∘]
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
Soru 1kolay
Find the magnitude of v=⟨3,−4,12⟩.
Cevabı göster
13
∣v∣=32+(−4)2+122=9+16+144=169=13.
Soru 2kolay
Find the unit vector in the direction of v=⟨2,−1,2⟩.
Cevabı göster
⟨2/3,−1/3,2/3⟩
∣v∣=4+1+4=3. Birim vektör ∣v∣v=⟨32,−31,32⟩.
Soru 3kolay
Compute u⋅v for u=⟨1,2,−3⟩ and v=⟨4,0,2⟩.
Cevabı göster
−2
Karşılıklı bileşenleri çarp, topla: 1⋅4+2⋅0+(−3)⋅2=4+0−6=−2. Negatif çıktığı için aradaki açı 90∘'den büyük.
Soru 4kolay
Find the angle between u=⟨1,1,0⟩ and v=⟨1,0,1⟩.
Cevabı göster
60∘ (π/3)
u⋅v=1, ∣u∣=∣v∣=2.cosθ=221=21, θ=3π=60∘.
Soru 5orta
Find c so that ⟨c,2,−1⟩ and ⟨3,c,4⟩ are orthogonal.
Cevabı göster
c=4/5
Dik (orthogonal) ⟺ nokta çarpım 0: 3c+2c−4=0, 5c=4, c=54.
Soru 6orta
Find the vector projection of u=⟨3,1,2⟩ onto v=⟨1,1,0⟩.
Cevabı göster
⟨2,2,0⟩
projvu=∣v∣2u⋅vv.u⋅v=3+1+0=4, ∣v∣2=2. Sonuç 2⟨1,1,0⟩=⟨2,2,0⟩.
Soru 7orta
Find the scalar component of u=⟨2,3,6⟩ in the direction of v=⟨1,2,2⟩.
Cevabı göster
20/3
Skaler bileşen compvu=∣v∣u⋅v.u⋅v=2+6+12=20, ∣v∣=3. Sonuç 320.
Soru 8kolay
A constant force F=⟨5,2,0⟩ N moves an object from P(1,0,0) to Q(4,3,0) (meters). Find the work done.
Cevabı göster
21 J
Yer değiştirme D=PQ=⟨3,3,0⟩. İş W=F⋅D=15+6+0=21 J.
Soru 9orta
For the triangle with vertices A(0,0,0), B(3,0,0), C(1,2,2), find the angle at A.
Cevabı göster
arccos(1/3)≈70.53∘
Açı A'dan çıkan iki kenar vektörü arasında: AB=⟨3,0,0⟩, AC=⟨1,2,2⟩. Nokta çarpım 3, uzunluklar 3 ve 3. cosθ=93=31, θ≈70.53∘.
∣v∣=3. Yön kosinüsleri: cosα=31, cosβ=32, cosγ=32.α=arccos31≈70.53∘, β=γ=arccos32≈48.19∘. Kontrol: cos2α+cos2β+cos2γ=91+94+94=1.
Soru 12zor
Write u=⟨4,1,−2⟩ as the sum of a vector parallel to v=⟨2,0,1⟩ and a vector orthogonal to v.
Cevabı göster
⟨512,0,56⟩+⟨58,1,−516⟩
Paralel kısım izdüşüm: u⋅v=8+0−2=6, ∣v∣2=5, projvu=56⟨2,0,1⟩=⟨512,0,56⟩. Dik kısım: u−proj=⟨4−512,1,−2−56⟩=⟨58,1,−516⟩. Kontrol: ⟨58,1,−516⟩⋅⟨2,0,1⟩=516−516=0.
Doğrulama: Bütün vektör işlemleri (nokta çarpım, uzunluk, açı, izdüşüm, dik bileşen) node'da sayısal olarak hesaplandı; dik bileşenin nokta çarpımı 0 çıktı (verify/MAT1052/06.mjs, 06b bölümü).
Deftere not kartı
v = <v1,v2,v3>, PQ = Q - P (bitiş - başlangıç)
|v| = √(v1²+v2²+v3²) birim: v/|v| |cv| = |c||v|
u·v = u1v1+u2v2+u3v3 = |u||v|cos θ (sonuç SAYI)
cos θ = u·v / (|u||v|) θ ∈ [0, π]
u·v = 0 ⇔ dik. u·v > 0 dar açı, u·v < 0 geniş açı
v·v = |v|² |u+v|² = |u|² + 2u·v + |v|²
proj_v u = (u·v / |v|²) v (vektör, v yönünde)
comp_v u = u·v / |v| (skaler, işaretli)
dik kısım = u - proj_v u (kontrol: v ile çarpımı 0)
Yön kosinüsleri: cos α = v1/|v| ... toplam kareleri 1
İş: W = F·D = |F||D|cos θ (N·m = J)