3D 벡터(R³): 종합 가이드 및 연산

3D 좌표 공간에서의 벡터 마스터하기

3D 벡터는 합, 차, 스칼라곱과 같은 기본 연산과 함께 소개됩니다. 크기 및 단위 벡터와 같은 성질도 설명됩니다. 이 강좌를 검토한 후, 연습 문제 및 상세한 풀이를 통해 지식을 테스트할 수 있습니다.

벡터란 무엇입니까?

벡터크기방향을 모두 가진 양입니다. 아래 그림과 같이 길이가 크기를 나타내고 화살표가 방향을 나타내는 선분으로 기하학적으로 표현됩니다. 벡터는 물리학에서 속도, 힘, 가속도와 같이 크기와 방향이 있는 양을 모델링하는 데 사용되며, 공학, 화학, 컴퓨터 그래픽스, 로보틱스 및 기타 여러 분야에서 사용됩니다.

벡터의 기하학적 표현
시점 A와 종점 B를 가진 벡터

위 그림에서 벡터는 시점 A와 종점 B를 사용하여 정의됩니다. 따라서 이 벡터는 \( \vec{AB} \)로 나타낼 수 있습니다.

동치 벡터

크기가 같고 방향이 같은 벡터는 공간에서의 위치에 관계없이 동치 벡터입니다.

크기와 방향이 같은 동치 벡터들

기하학적 벡터 연산

두 벡터의 합

두 벡터 \( \vec{v_1} \)과 \( \vec{v_2} \)가 주어졌을 때, 그들의 합은 먼저 벡터 \( \vec{v_2} \)의 시점이 \( \vec{v_1} \)의 종점과 일치하도록 배치하여 얻은 벡터입니다. 합 \( \vec{v_1} + \vec{v_2} \)는 시점이 \( \vec{v_1} \)의 시점이고 종점이 \( \vec{v_2} \)의 종점인 벡터입니다.

\( \vec{v_1} + \vec{v_2} = \vec{v_2} + \vec{v_1} \)임에 유의하세요. 또한, 두 벡터의 합은 \( \vec{v_1} \)과 \( \vec{v_2} \)에 의해 결정되는 평행사변형의 대각선과 일치합니다.

두 벡터의 기하학적 덧셈

두 벡터의 차

두 벡터 \( \vec{v_1} \)과 \( \vec{v_2} \)가 주어졌을 때, 차 \( \vec{v_2} - \vec{v_1} \)은 합 \( \vec{v_2} + (- \vec{v_1}) \)로 정의되며 아래와 같이 기하학적으로 표현될 수 있습니다.

두 벡터의 기하학적 뺄셈

벡터의 스칼라곱

벡터 \( \vec{v_1} \)에 스칼라 \( k \)를 곱한 것은 \( \vec{v_1} \)과 평행하고, \( k \gt 0 \)인 경우 \( \vec{v_1} \)과 방향이 같으며 \( k \lt 0 \)인 경우 반대인 벡터 \( k\vec{v_1} \)로 정의됩니다. \( k\vec{v_1} \)의 크기(길이)는 \( \vec{v_1} \) 크기의 \( | k | \)배입니다.

아래 그림은 벡터 \( \vec{v_1} \), \( 2\vec{v_1} \), \( -3 \vec{v_1} \)을 보여줍니다.

벡터의 스칼라곱

3D 직교 좌표계에서의 벡터

단위 벡터는 크기가 1인 벡터입니다. 아래에는 x, y, z축의 양의 방향으로 각각 단위 벡터 \( \vec{i} \), \( \vec{j} \), \( \vec{k} \)가 있는 3D 직교 좌표계가 나와 있습니다. 단위 벡터 \( \vec{i} \), \( \vec{j} \), \( \vec{k} \)는 다음과 같이 성분으로 정의할 수 있습니다:

x, y, z축 상의 단위 벡터 i, j, k

벡터의 성분

임의의 벡터 \( \vec{v} \)의 성분은 다음과 같이 단위 벡터 \( \vec{i} \), \( \vec{j} \), \( \vec{k} \)의 배수의 합으로 \( \vec{v} \)를 표현하여 정의됩니다:

\[ \vec{v} = 3\vec{i} + 4\vec{j} + 5\vec{k} \]

또는 다음과 같이 꺾쇠 괄호를 사용하여 성분 형태로 나타냅니다:

\[ \vec{v} = \langle 3, 4, 5 \rangle \]
3D 공간에서의 벡터 성분

시점 \( A = (x_1 , y_1 , z_1) \)과 종점 \( B = (x_2 , y_2 , z_2) \)에 의해 정의된 벡터 \( \vec{v} \)의 성분은 다음과 같습니다:

\[ \vec{v} = \langle x_2-x_1, y_2-y_1, z_2-z_1 \rangle \]
시점과 종점으로 정의된 벡터

크기 및 단위 벡터 계산하기

벡터 \( \vec{v} = \langle a, b, c \rangle \)가 주어졌을 때, 그 크기(또는 길이)는 다음과 같습니다:

\[ ||\vec{v}|| = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2} \]

\( \vec{v} \)와 같은 방향이며 크기가 1인 벡터로 정의되는 단위 벡터 \( \vec{u} \)는 다음과 같습니다:

\[ \vec{u} = \dfrac{1}{||\vec{v}||} \vec{v} \]

대수적 합, 차 및 스칼라곱

벡터 \( \vec{v_1} = \langle a_1, b_1, c_1 \rangle \)과 \( \vec{v_2} = \langle a_2, b_2, c_2 \rangle \)가 주어졌을 때, 합 \( \vec{v_1} + \vec{v_2} \), 차 \( \vec{v_1} - \vec{v_2} \), 그리고 스칼라곱 \( k \vec{v_1} \)(단, k는 실수)은 다음과 같습니다:

\[ \vec{v_1} + \vec{v_2} = \langle a_1+a_2, b_1+b_2, c_1+c_2 \rangle \] \[ \vec{v_1} - \vec{v_2} = \langle a_1 - a_2, b_1 - b_2, c_1 - c_2 \rangle \] \[ k \vec{v_1} = \langle k a_1, k b_1, k c_1 \rangle \]

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