1. Rappresentazione cartesiana dei vettori
  2. Operazioni fra vettori
Finora abbiamo rappresentato i vettori per mezzo di segmenti orientati. Questa rappresentazione di carattere geometrico (rappresentazione intrinseca) non è utile quando si devono fare alcune operazioni complesse come occorre in Fisica. Per questo si dà un'altra rappresentazione dei vettori (rappresentanzione cartesiana o estrinseca) nella quale le operazioni tra vettori si fanno analiticamente, piuttosto che geometricamente.

Rappresentazione cartesiana dei vettori

Supponiamo di dividere lo spazio geometrico in tante cellette (fig. (1.1)) e che una di tali cellette contenga un osservatore che indicheremo con O.


Fig1.1

Supponiamo di avere un corpo posto in un altro cubetto, che indicheremo con P. La linea che unisce O con P sarà detta vettore posizione OP e rappresenterà la posizione del corpo P rispetto all'osservatore O (fig. (1.2)).


Figura 1.2

Ovviamente, questa linea non sarà unica a meno di non supporre, come sarà nel nostro caso, che le dimensioni delle celle siano così piccole da contenere un solo punto.

Nella figura (1.2) si osserva come il vettore posizione OP possa essere univocamente individuato da una terna orientata di numeri, rappresentanti la profondità, la larghezza e l'altezza del parallelepipedo con estremi in O e P.

La sequenza di cellette di figura (1.3) si chiama asse X o asse delle ascisse.


Figura 3.3

Le celle su quest'asse saranno rappresentate da terne di numeri del tipo (x,0,0) dove x è il valore della distanza della cella dall'osservatore presa col segno positivo o negativo se la cella è nella direzione della freccia oppure no.

Un'altra importante sequenza di celle è mostrata in figura (1.4) ed è detta asse Y o asse delle ordinate. Le celle questa volta saranno individuate da terne del tipo (0,y,0).


Figura 3.4

Un'altra importante sequenza di celle è visualizzata in figura (1.5). Quest'asse è noto come asse Z. Le sue celle saranno individuate da terne del tipo (0,0,z).


Figura 3.5

Allora (fig. (1.6)):

il vettore OP sarà individuato da una terna del tipo (x,y,z).


Figura 3.6

Se il lato delle singole celle si fa tendere a zero, le stesse si riducono a punti. Le considerazioni precedentemente fatte continuano a valere, e, pertanto, il vettore posizione può essere individuato da questa terna di numeri. Gli assi x,,y e z si ridurranno a tre rette orientate e l'insieme costituito da O (punto dell'osservatore) e dai tre assi x,y,,z si dirà sistema di coordinate con origine in O (fig. (1.7)).


Figura 3.7

Un vettore rappresentato matematicamente con una terna di numeri si dirà rappresentato estrinsecamente, in quanto le sue componenti, dette anche componenti cartesiane, dipenderanno dal sistema di coordinate. L'insieme delle terne di numeri rappresentanti vettori si indicherà anche con .
Alcune volte è conveniente considerare dei vettori nel piano invece che nello spazio. In questo caso la terza componente è omessa e convenzionalmente il vettore del piano OP si scriverà (x,y).

ESEMPIO: Si consideri il vettore OP nel piano di figura (1.8); dire quali sono le componenti cartesiane del vettore.

Dalla figura si vede che il vettore OP ha componente lungo l'asse x uguale a 3 e lungo l'asse y uguale a 2. Pertanto, il vettore OP avrà come componenti la coppia (3,2).


Figura 1.8

ESEMPIO: Si consideri il vettore PQ nel piano di figura (1.9). Dire quali sono le componenti cartesiane del vettore.

Consideriamo il vettore W equipollente a V con origine in O (fig. (1.10)). Dalla figura si vede che le componenti cartesiane sono 1 e 2 e pertanto si scriverà (1,2).


Figura 1.9


Figura 1.10


Figura 1.11

Un altro modo di pervenire allo stesso risultato è di considerare la differenza tra le coordinate dell'estremo e dell'origine del vettore. Le coordinate del punto P saranno le componenti del vettore OP (fig. (1.11)) cioè (3,2); mentre quelle del punto Q saranno le componenti del vettore OQ cioè (4,4). Pertanto, le componenti di PQ saranno (4-3, 4-2)=(1,2).

ESEMPIO: Consideriamo il vettore di figura (1.12) nello spazio. Dire quali sono le componenti cartesiane del vettore.

Dalla figura si vede che il vettore ha componente lungo l'asse x uguale a 2, lungo l'asse y uguale a 3, lungo l'asse z uguale a 1. Pertanto, si scriverà (2,3,1).


Figura 1.12

ESEMPIO: Considerato il vettore di figura (1.13) nello spazio, dire quali sono le componenti cartesiane del vettore.

Dalla figura si vede che le componenti cartesiane sono 3,2 e 3 rispettivamente e pertanto si indicherà con (3,2,3).


Figura 1.13

Operazioni fra vettori

Ovviamente, su possono essere definite delle operazioni. La prima è l' operazione somma ed opera nel seguente modo: dati due vettori OP di componenti cartesiane (x,y,z) e PQ di componenti cartesiane (x,y,z) il vettore somma OQ di OP e PQ avrà componenti cartesiane (x+x, y+y, z+z) (fig. (2.1)).


Figura 2.1

Simbolicamente la somma si indicherà con OQ=OP+PQ oppure

(x,y,z)+(x, y, z )=(x+x, y+y, z+z)

Il vettore somma di due vettori avrà come componenti la somma delle rispettive componenti.


L'operazione somma è detta operazione interna in quanto a due vettori di associa un terzo vettore di .

ESEMPIO: Sommare i vettori V e W di figura (2.2).

Il vettore V ha componenti (5,1) ed il vettore W ha componenti (2,3). Pertanto, il vettore V+W avrà componenti (7,4).


Figura 2.2

ESEMPIO: Sommare i vettori V e W di figura (2.3).

Il vettore V ha componenti (2,3) e W ha componenti (3,1) e pertanto il vettore V + W avrà componenti (5,4).


Figura 2.3

ESEMPIO: Sommare i vettori V e W di figura (2.4).

Il vettore V ha componenti (1,5,2) e W ha componenti (2,3,1) e pertanto il vettore V + W avrà componenti (3,8,3).

ESEMPIO: Sommare i vettori V e W di figura (2.5).



Il vettore V ha componenti (2,3,0) e W ha componenti (3,2,1) e pertanto il vettore V + W avrà componenti (5,5,1).


La seconda operazione è nota come operazione moltiplicazione di un vettore per un numero e si definisce nel modo seguente: dato un vettore V di componenti cartesiane (x,y,z) ed un numero a, la moltiplicazione a (x,y,z) è il vettore a V di definito dalla terna (ax, ay, az) (fig. (2.6)).


Figura 2.6

Tale operazione è esterna, nel senso che considerati un elemento di ed un numero, a tale coppia viene associato un nuovo elemento di . In altre parole non è un'operazione interna che coinvolge solo elementi di .

ESEMPIO: Si consideri il vettore V di figura (2.7). Trovare il vettore 2V.


Figura 2.7

Il vettore V ha componenti (3,1). Pertanto, il vettore 2V avrà componenti (2*3, 2* 1)=(6,2) (fig. (2.8)).


Figura 2.8

ESEMPIO Si consideri il vettore V di figura (2.9). Trovare il vettore 3 V.

Il vettore V ha componenti (1,2), pertanto il vettore 3 V avrà componenti (3,6).


Figura 2.9

ESEMPIO: Si consideri il vettore V di componenti (1,3,5).Trovare il vettore -2V.


Figura 2.10

Il vettore -2 V avrà componenti (-2,-6,-10).

Dato un vettore V di componenti , il suo modulo sarà

questo discende immediatamente dal Teorema di Pitagora.

ESEMPIO: Dato il vettore di componenti (1,2,2), trovare il modulo.

Il modulo di tale vettore sarà: