Teorema 6.9
Dacă vectorii , și sunt coplanari, iar vectorii și necoliniari, atunci există în mod univoc numerele reale și , astfel încât
De ce este teorema centrală a capitolului
Ea spune că doi vectori necoliniari formează o bază a planului: orice alt vector din plan se scrie prin ei, și într-un singur fel. Perechea devine „adresa” lui — primul pas către coordonate.
fig. 1 — doi vectori necoliniari „pavează” planul; orice are o singură pereche
Demonstrația — partea I: existența
Depunem dintr-un punct vectorii , și . Acești vectori sunt coplanari și, prin urmare, punctele , , și aparțin aceluiași plan, iar punctele , și nu aparțin unei drepte (vectorii și nu-s coliniari).
Cazul 1 — aparține dreptei
fig. 2 (fig. 31 din curs) — cazul degenerat
Atunci și sunt coliniari și, conform teoremei despre vectorii coliniari, există așa număr real astfel încât . Dar atunci
deci în acest caz are loc egalitatea , cu .
În mod analogic ne convingem că are loc egalitatea în cazul când punctul aparține dreptei (atunci ).
Cazul 2 — cazul general
fig. 3 (fig. 32 din curs) — construcția paralelogramului de descompunere
Să cercetăm cazul când punctul nu aparține nici dreptei , nici dreptei .
Construim dreapta paralelă la dreapta , unde aparține dreptei . După regula triunghiului:
Deoarece și , există așa numere reale și , încât și . Prin urmare
adică și în acest caz are loc egalitatea .
Pas cu pas — construcția din cazul general
Ținta: să scriem ca o sumă de doi vectori, unul pe direcția lui , celălalt pe direcția lui .
Pasul 1 — de ce o paralelă. Vrem să „spargem” în două bucăți cu direcții impuse. Regula triunghiului spune că orice punct intermediar dă . Trebuie deci ales exact acolo unde ambele bucăți cad pe direcțiile dorite.
Pasul 2 — găsim punctul. Ducem prin paralela la . Ea taie dreapta într-un punct — îl numim . (Se intersectează pentru că și nu-s paralele — aici se folosește ipoteza că și sunt necoliniari!)
Pasul 3 — verificăm cele două bucăți.
- este pe dreapta , deci coliniar cu ;
- este pe paralela la , deci coliniar cu .
Pasul 4 — trecem la coeficienți. Prin teorema 5.3, coliniaritatea înseamnă existența unor numere: și .
Pasul 5 — adunăm. .
Unde a fost folosită fiecare ipoteză:
- coplanaritatea — ca , , , să fie în același plan, altfel paralela dusă prin nu ar întâlni dreapta ;
- necoliniaritatea lui și — ca intersecția din pasul 2 să existe (și, mai târziu, pentru unicitate).
Greșeală de tipar în PDF-ul cursului
În text apare scris „După regula triunghiului ”. Corect este
așa cum se și folosește două rânduri mai jos, când se scrie .
Cum se citește figura — teorema 6.9, existența (fig. 2 și fig. 3)
Pasul 1 — datele comune. (albastru) și (portocaliu) din , necoliniari; (violet) în același plan.
Pasul 2 — fig. 2, cazul particular. cade pe dreapta punctată : violetul are direcția portocaliului, deci și nu e nevoie de nicio construcție ().
Pasul 3 — fig. 3, construcția. Din coborâți pe linia portocalie punctată, paralelă cu , până întâlniți dreapta lui în .
Pasul 4 — fig. 3, cele două bucăți. Albastrul punctat stă pe dreapta lui , deci ; portocaliul punctat este paralel cu , deci .
Pasul 5 — concluzia. Drumul punctat și violetul au aceleași capete: .
Pe ce se bazează: teorema 5.3 (pașii 2 și 4); unicitatea paralelei și necoliniaritatea lui , — existența lui (Paralelismul dreptelor, semidreptelor și planelor, pasul 3); relația lui Chasles (pasul 5).
Ce să verificați singuri pe figură: (1) în fig. 3 măsurați — acesta este — și — acesta este ; (2) linia punctată nu trece prin : ea trebuie doar să fie paralelă cu .
Demonstrația — partea II: unicitatea
Să demonstrăm acum că numerele și ce satisfac egalității se determină în mod unic.
Să presupunem că prin altă metodă determinăm astfel de numere reale și încât . Din ultima egalitate și din egalitatea rezultă:
Dacă presupunem că , atunci obținem
și deci vectorii și sunt coliniari. Analogic, dacă , obținem
și iarăși vectorii și sunt coliniari. În ambele cazuri am obținut contrazicere cu faptul că vectorii și nu-s coliniari. Prin urmare, și .
fig. T1 — unicitatea descompunerii: geometric (sus) și algebric (jos)
Cum se citește figura — teorema 6.9, unicitatea
Pasul 1 — sus, descompunerea găsită. Violetul se descompune prin : albastru punctat , apoi portocaliu punctat , pe paralela gri la dusă prin .
Pasul 2 — sus, o a doua descompunere (roșu). Altă pereche ar însemna alt punct pe dreapta lui cu . Linia roșie punctată arată că nu e paralelă cu : prin trece o singură paralelă la , iar ea taie dreapta lui într-un singur punct.
Pasul 3 — jos, versiunea algebrică. Scăzând cele două descompuneri: . Albastrul stă pe dreapta lui , portocaliul pe dreapta lui ; linia roșie „” întreabă dacă pot fi egali.
Pasul 4 — concluzia. Două săgeți din pe drepte diferite coincid doar dacă ambele se reduc la punctul : și . Altfel, împărțind la un coeficient nenul, am obține — contradicție.
Pe ce se bazează: teorema 5.3 ( înseamnă coliniaritate); teorema 6.5 (izolarea unui vector); unicitatea paralelei printr-un punct (Paralelismul dreptelor, semidreptelor și planelor).
Ce să verificați singuri pe figură: (1) sus, numărați: are lungimi de , iar are lungimi de ; (2) mutați în gând pe dreapta lui până când linia roșie devine paralelă cu — se oprește exact în .
Structura demonstrației de unicitate
Este o demonstrație prin reducere la absurd, cu tiparul standard:
- presupunem două descompuneri diferite;
- le scădem — obținem o combinație liniară nulă cu coeficienți nu toți nuli;
- de aici izolăm un vector prin celălalt ⇒ ar fi coliniari;
- contrazice ipoteza.
Pasul 2–3 este exact teorema 6.5 aplicată la doi vectori. Cu alte cuvinte: unicitatea descompunerii ⟺ independența liniară a lui și .
Pas cu pas — unicitatea, cu numere
Presupunem, prin absurd, că același vector are două descompuneri:
Pasul 1 — egalăm. Fiind același : .
Pasul 2 — trecem totul într-o parte. , adică .
Pasul 3 — izolăm. Coeficientul lui este , deci putem împărți:
Pasul 4 — contradicția. Această egalitate spune (prin teorema 5.3) că — dar ipoteza era că sunt necoliniari. Contradicție.
Pasul 5 — concluzia. Presupunerea „două descompuneri diferite” e falsă. Deci coeficienții coincid: și .
Unde s-a folosit ipoteza. Exact la pasul 3–4: împărțirea cere ca diferența coeficienților să fie nenulă, iar concluzia „ar fi coliniari” e cea care se ciocnește de ipoteză. Dacă și ar fi coliniari, pasul 4 n-ar fi o contradicție — și, într-adevăr, atunci unicitatea nu mai are loc.
Ce se întâmplă dacă și sunt coliniari
Ipoteza „necoliniari” nu poate fi eliminată:
- dacă , toate combinațiile rămân pe o singură dreaptă — deci majoritatea vectorilor din plan nu se pot scrie așa (existența cade);
- iar cei care se pot scrie, se scriu în infinit de multe feluri (unicitatea cade).
Întrebări de control
- De ce cazul trebuie tratat separat?
- În fig. 3, ce reprezintă geometric numerele și ?
- Descompuneți diagonala a paralelogramului după și . Dar diagonala ?
- Fie mijlocul laturii a triunghiului . Descompuneți după și .
- De ce unicitatea descompunerii ar cădea dacă și ar fi coliniari?
Legături
- Anterior: Vectori coplanari
- Continuare: Coliniaritate, coplanaritate și dependență liniară
- Se sprijină pe: Raportul a doi vectori coliniari