Matematica Vettore: Oggetto geometrico

In matematica, un vettore è un elemento di uno spazio vettoriale.

I vettori sono quindi elementi che possono essere sommati fra loro e moltiplicati per dei numeri, detti scalari.

I vettori sono comunemente usati in fisica per indicare grandezze che sono completamente definite solo quando sono specificati sia una magnitudine (o modulo) che una direzione ed un verso rispetto ad un altro vettore o un sistema di vettori. Le grandezze che possono essere descritte in questo modo sono chiamate grandezze vettoriali, in contrapposizione alle grandezze scalari che sono caratterizzate unicamente dallo loro magnitudine.

Il concetto matematico di vettore nasce dall'idea intuitiva di una grandezza fisica (come ad esempio spostamento, accelerazione e forza) caratterizzata da intensità, direzione e verso nello spazio tridimensionale. A seguito dell'introduzione delle coordinate cartesiane una grandezza di questo tipo poteva essere rappresentata da una terna di numeri reali: le componenti relative a tre direzioni spaziali di riferimento. Nella successiva formalizzazione matematica si è giunti a definire il concetto generale di spazio vettoriale, come insieme in cui è definita l'operazione di combinazione lineare di due o più elementi.

In vari settori della matematica e della fisica, come l'analisi funzionale o la meccanica quantistica, il concetto di spazio vettoriale è applicato agli spazi di funzioni, in cui i vettori sono funzioni, come gli spazi di Hilbert e gli spazi di Banach.

Segmento orientato

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Segmento orientato B-A

La più semplice e riduttiva rappresentazione di vettore è il segmento orientato. In geometria un segmento orientato Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , o "vettore applicato", è un segmento Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  dotato di un'orientazione, che rende Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  diverso da Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Nello spazio bidimensionale può essere visualizzato con un punto "iniziale" Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e un punto "finale" Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , e viene anche denotato con Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Nell'insieme di tutti i segmenti orientati si definisce una relazione di equivalenza, detta di equipollenza, convenendo che due segmenti orientati sono equipollenti se hanno la stessa direzione, la stessa lunghezza e lo stesso verso. La classe di equivalenza definisce un vettore. La classe di equipollenza individuata da un vettore applicato Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è di solito denotata con il simbolo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore ; si dice anche che Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è un rappresentante (non certamente unico) del vettore libero Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . In questo modo è possibile definire in maniera naturale la somma Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore .

Spazio vettoriale

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Il vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è rappresentato geometricamente con una freccia che parte in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e arriva in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore .

I vettori fanno parte di uno spazio vettoriale; il piano cartesiano Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , inteso come piano affine con un punto fissato Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , è un esempio di spazio vettoriale (isomorfo allo spazio tangente in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore ): un vettore è rappresentato in tal caso come un punto del piano cartesiano determinato da una coppia di numeri reali Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Disegnando una freccia che parte nell'origine Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e arriva in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , si ottiene la rappresentazione geometrica del vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Nello spazio tridimensionale un vettore è analogamente una terna di numeri reali Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore .

In generale, in dimensione Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  arbitraria (finita), l'insieme:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

è uno spazio vettoriale di dimensione Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , i cui vettori sono ennuple di numeri reali:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Numerosi esempi di spazi vettoriali possono essere costruiti sostituendo il campo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  dei numeri reali con un campo qualsiasi, ad esempio il campo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  dei numeri complessi. Una ennupla di numeri complessi è quindi un vettore dello spazio vettoriale Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Ogni spazio vettoriale (sopra il campo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore ) di dimensione finita è in effetti identificabile con Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , dopo aver fissato una opportuna base.

In molti spazi vettoriali di dimensione infinita un vettore può essere descritto come una successione (infinita) di numeri: questo argomento necessita però di strumenti più sofisticati, quali ad esempio la struttura di spazio di Hilbert.

Somma e prodotto per scalare

In quanto elementi di uno spazio vettoriale, i vettori possono essere sommati fra loro e moltiplicati per uno scalare secondo le operazioni che definiscono lo spazio vettoriale stesso.

Somma di due vettori

In due dimensioni i vettori possono essere sommati con la regola del parallelogramma, che corrisponde alla somma Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  di due vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore .

In generale, la somma di due vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è definita nel modo seguente:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

La somma è associativa, commutativa e possiede l'elemento neutro che è il vettore nullo; inoltre ogni elemento ha un opposto. In altre parole, i vettori con la somma formano un gruppo abeliano.

Prodotto di uno scalare per un vettore

Il prodotto di uno scalare Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  per un vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è definito nel modo seguente:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

In particolare, Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Il prodotto è associativo e gode della proprietà distributiva rispetto alla somma.

Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Coordinate di un vettore.

L'estensione del concetto di coordinate rispetto agli assi di un piano cartesiano è quello di coordinate di un vettore rispetto ad una base. Una base è un insieme di vettori tale per cui ogni elemento dello spazio vettoriale può essere scritto in modo unico come combinazione lineare dei vettori appartenenti a tale insieme. Una base del piano cartesiano sono ad esempio i vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , poiché ogni vettore del piano si può scrivere come somma di essi moltiplicati ciascuno per un opportuno scalare.

Nello specifico, dato uno spazio vettoriale Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  su un campo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , l'insieme Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  di vettori di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è una base di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  se tali vettori sono linearmente indipendenti in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e generano Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , ovvero:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Rappresentazione grafica scomposizione di un vettore. Nel piano, dati due vettori non paralleli, un vettore può essere scomposto in modo unico mediante somma di due vettori paralleli ai due dati.

In particolare, per ogni vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  gli scalari Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  sono le sue coordinate rispetto alla base scelta.

Data quindi una base Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , un qualsiasi vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  può essere espresso come combinazione lineare:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

La scomposizione di vettori è una procedura utilizzata ad esempio in fisica per scomporre le forze lungo direzioni particolari (ad esempio parallele e perpendicolari a determinati vincoli).

Basi ortonormali e versori

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Rappresentazione grafica componenti cartesiane di un vettore

Un caso particolare di sistema di riferimento è quello ortonormale, in cui i vettori scelti come base sono tra loro ortogonali (base ortogonale) e tutti di lunghezza unitaria, cioè versori. Nel caso del piano o dello spazio euclideo, un tale sistema di coordinate è detto cartesiano. Un vettore viene dunque scomposto nelle sue componenti cartesiane e, convenzionalmente, i versori sono denominati con i simboli Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  rispettivamente per gli assi Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . I versori sono tali che:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

con Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  il prodotto vettoriale. Un vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  può allora essere scritto come combinazione lineare dei versori canonici:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

In generale, in un sistema di riferimento cartesiano, le componenti di un vettore coincidono con i coefficienti di Fourier.

Norma di un vettore

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Norma (matematica).

Gli elementi di uno spazio vettoriale non hanno automaticamente una "lunghezza", questa è definita solo se si aggiunge un'ulteriore struttura matematica: la norma (o modulo) di un vettore, quindi il modulo non è una proprietà intrinseca del vettore.

Uno spazio vettoriale in cui è definita la norma di un vettore è uno spazio normato. Su un qualsiasi spazio vettoriale è possibile definire vari tipi di norme. Ad esempio la norma euclidea di un vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è il numero reale non negativo:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Questa quantità è geometricamente interpretata come la lunghezza del vettore. Ovviamente è possibile anche definire una norma differente da quella euclidea su Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  in tal caso si ottengono geometrie non euclidee.

Un altro esempio è il seguente: lo spazio delle funzioni continue a valori reali definite su un intervallo chiuso Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  può essere dotato della norma:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Prodotto scalare e modulo di un vettore

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Prodotto scalare.

Definendo una forma quadratica Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  nello spazio vettoriale considerato si associa ad ogni coppia di vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  uno scalare Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Ad esempio la norma Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  caratterizza la "lunghezza" del vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Spesso la forma quadratica considerata è un prodotto scalare, che caratterizza la struttura dello spazio euclideo: così due vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  sono ortogonali se Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , mentre sono paralleli quando Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  assume valore massimo.

Il prodotto scalare standard di due vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è il numero:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Il prodotto scalare tra due vettori viene indicato usualmente con uno dei simboli seguenti:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

dove Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  fa riferimento al prodotto matriciale tra un vettore riga e un vettore colonna, con Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  la trasposta di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , che è equivalente al prodotto scalare standard.

Importanti spazi muniti di prodotto interno sono lo spazio euclideo (reale) e lo spazio di Hilbert (complesso).

Tramite il prodotto scalare standard è possibile scrivere la norma euclidea come:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Spazio duale e covettori

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Spazio duale.

Le applicazioni che agiscono su uno spazio vettoriale e restituiscono un numero sono dette funzionali. L'insieme dei funzionali lineari definiti sui vettori di uno spazio vettoriale Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è lo spazio duale Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , i cui elementi però, non essendo vettori, non subiscono una trasformazione controvariante al cambiamento di coordinate, bensì una trasformazione covariante (sono quindi covettori). Ad esempio, l'impulso o il momento angolare sono covettori.

Il prodotto scalare definisce in modo naturale un isomorfismo tra vettori e covettori, cioè tra lo spazio vettoriale e il suo duale. Se il prodotto scalare è euclideo e la base è ortonormale allora le componenti di vettori e covettori coincidono, motivo per cui la loro distinzione è spesso trascurata nei testi di fisica più elementari.

Operazioni nello spazio tridimensionale

Nello spazio tridimensionale sono particolarmente utilizzate alcune operazioni aggiuntive fra i vettori.

Prodotto vettoriale o esterno tra due vettori

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Prodotto vettoriale.
Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Rappresentazione grafica del prodotto vettoriale Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . La direzione è perpendicolare a quella del piano formato dai vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , mentre il modulo coincide con l'area della regione colorata in grigio.
Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Per determinare il verso del prodotto vettoriale fra Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  si utilizza la regola della mano destra

Il prodotto vettoriale è un'operazione definita tra due vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  che restituisce un terzo vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  che ha la direzione della retta perpendicolare al piano individuato da Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , e il suo modulo è dato dalla formula:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

dove Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è l'angolo fra Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Il verso del vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è dato dalla regola della mano destra: disponendo pollice, indice e medio perpendicolari tra loro, se il pollice indica la direzione di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e l'indice la direzione di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , allora il medio indica la direzione di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  (si veda la figura a lato).

Esplicitamente il prodotto vettoriale è dato da:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

dove Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  indica il determinante e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  sono i versori degli assi. Il prodotto vettoriale si indica talvolta anche con la notazione Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore .

Si nota che il prodotto vettoriale è nullo se almeno uno dei due vettori è il vettore nullo, oppure se i vettori sono tra loro paralleli. Inoltre il prodotto vettoriale soddisfa l'identità ciclica di Jacobi, è distributivo rispetto alla somma:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

ed anticommutativo:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Prodotto misto di due vettori

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Prodotto misto.
Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 
Il prodotto misto di tre vettori è il volume del parallelepipedo costruito su questi.

Un prodotto misto è un'espressione in cui compaiono contemporaneamente prodotti scalari e vettoriali di vettori. Ad esempio, il prodotto misto di tre vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è del tipo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  ed è uno scalare. Il valore assoluto di questo scalare non dipende dall'ordine dei tre vettori e misura il volume del parallelepipedo costruito su di essi.

Un prodotto misto che comprende due o più prodotti vettoriali è sempre riconducibile ad una somma di prodotti misti più semplici, ciascuno avente al più un prodotto vettoriale. Ad esempio:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Interpretazione matriciale

Una matrice costituita da una sola riga, ovvero di dimensione Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , viene detta vettore riga; una matrice costituita da una sola colonna, ovvero di dimensione Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , viene detta vettore colonna. L'operatore di trasposizione, denotato generalmente con una Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  ad esponente (Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore ) trasforma vettori riga in vettori colonna e viceversa. Spesso i vettori di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  vengono descritti come vettori colonna, per poter descrivere le trasformazioni lineari come prodotto con una matrice.

Prodotto di una matrice per un vettore

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Moltiplicazione tra matrici.

I vettori di Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  possono essere considerati delle matrici a una riga o una colonna. Per questo motivo è lecito parlare di moltiplicazioni tra matrici e vettori; in ossequio alle regole della moltiplicazione di matrici, un vettore colonna di dimensione Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  sarà moltiplicabile a sinistra per una matrice a condizione che il numero di colonne della matrice sia Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore .

Generalmente si intende e si usa questo tipo di moltiplicazione, anche se in linea di principio è anche possibile moltiplicare a destra un vettore Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  per una matrice con Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  righe.

Matrice come prodotto esterno

Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  Lo stesso argomento in dettaglio: Prodotto tensoriale.

Il prodotto di Kronecker, definibile come prodotto tensoriale fra un vettore e uno trasposto rispettivamente in Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , è la matrice Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore :

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

dove la Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  ad apice indica l'operazione di trasposizione. Ad esempio per Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore :

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Più in generale, dati due vettori Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  appartenenti a due spazi vettoriali Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  sopra lo stesso campo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , il prodotto tensoriale tra i due vettori è un tensore di rango Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

Se Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  sono spazi vettoriali di dimensione Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore , fissate due basi, il prodotto tensoriale Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  è descrivibile come uno spazio di matrici ed il prodotto tensoriale in coordinate si scrive come sopra.

Cambiamento di base

In uno spazio di dimensione finita un vettore può essere definito come una ennupla di numeri Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  che in seguito ad un cambio di sistema di riferimento subiscono una trasformazione controvariante, ossia passando dal sistema di coordinate Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  al sistema Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  si ha:

    Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore 

dove si è utilizzata la notazione di Einstein, e Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore  sono le componenti del vettore nel nuovo sistema di riferimento. Un vettore è dunque un tensore di tipo Matematica Vettore: Segmento orientato, Spazio vettoriale, Base di uno spazio vettoriale e coordinate di un vettore . Uno scalare può del resto essere pensato come un vettore di una sola componente, e coincide con un tensore di rango nullo.

Note

Bibliografia

Voci correlate

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