formulae for vector algebra - wordpress.com · u important terms, definitions & formulae or a....

8
u Important Terms, Definitions & Formulae or a . Its magnitude (or modulus) is AB or a otherwise, simply AB or a . Vectors are denoted by symbols such as a or a or a. [Pictorial representation of vector] 02. Initial and Terminal points: The initial and terminal points mean that point from which the vector originates and terminates respectively. 03. Position Vector: The position vector of a point say P( , ,) xyz is OP ˆ ˆ ˆ r x y z i j k and the magnitude is 2 2 2 r x y z . The vector OP ˆ ˆ ˆ r x y z i j k is said to be in its component form. Here , , xyz are called the scalar components or rectangular components of r and ˆ ˆ ˆ , , x y z i j k are the vector components of r along x-, y-, z- axes respectively. Also, AB Position Vector of B Position Vector of A . For example, let 1 1 1 A( , ) x y ,z and 2 2 2 B( , ) x y ,z . Then, 2 2 2 1 1 1 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ AB ( ) ( ) xi yj zk xi yj zk . Here , ˆˆ i j and ˆ k are the unit vectors along the axes OX, OY and OZ respectively. (The discussion about unit vectors is given later in the point 05(e).) 04. Direction ratios and direction cosines: If ˆ ˆ ˆ , r x y z i j k then coefficients of ˆ ˆˆ ,, i jk in r i.e., , , xyz are called the direction ratios (abbreviated as d.r.’s) of vector r . These are denoted by , , abc (i.e. , , a xb yc z ; in a manner we can say that scalar components of vector r same). Also, the coefficients of ˆ ˆˆ ,, i jk in ˆ r (which is the unit vector of r ) i.e., 2 2 2 x x y z , 2 2 2 y x y z , 2 2 2 z x y z are called direction cosines (which is abbreviated as d.c.’s) of vector r . These direction cosines are denoted by l, m, n such that cos , cos , cos l m n and 2 2 2 2 2 2 1 cos cos cos 1 l m n . It can be easily concluded that cos , cos , x y l m r r cos z n r . Therefore, cos cos ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ (cos ) r mr nr lri j k r i j k . (Here r r .) [See the OAP in Fig.1] Angles , , are made by the vector r with the positive directions of x, y, z-axes respectively and these angles are known as the direction angles of vector r ). For a better understanding, you can visualize the Fig.1. 05. TYPES OF VECTORS a) Zero or Null vector: Its that vector whose initial and terminal points are coincident. It is denoted by 0 . Of course its magnitude is 0 (zero). Any non-zero vector is called a proper vector . b) Co-initial vectors: Those vectors (two or more) having the same initial point are called the co- initial vectors. Vector Algebra Formulae For BASIC ALGEBRA OF VECTORS By Mir Mohammed Abbas II PCMB 'A' 01. Vector - Basic Introduction: A quantity having magnitude as well as the direction is called vector. It is denoted as AB and its d.r.’s both are the Page - [1] List Of Formulae By Mohammed Abbas www.mohammedabbas27.wordpress.com

Upload: buingoc

Post on 25-Feb-2019

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

 

 

u   

Important Terms, Definitions & Formulae

 or a . Its magnitude (or modulus) is  AB

 or a  otherwise, simply  AB or  a . 

    Vectors are denoted by symbols such as a  or  a  or  a.

[Pictorial representation of vector]

02. Initial and Terminal points:  The  initial  and  terminal  points  mean  that  point  from  which  the  vector originates and terminates respectively.

03. Position Vector:  The  position  vector  of  a  point  say  P( , , )x y z   is  OP ˆˆ ˆ

r x y zi j k   and  the 

magnitude  is  2 2 2 r x y z . The vector  OP ˆˆ ˆ

r x y zi j k   is  said  to be  in its component form. 

Here  , ,x y z   are  called  the  scalar components or rectangular components of    r

  and  ˆˆ ˆ, ,x y zi j k   are  the 

vector components of   r

 along x-, y-, z- axes respectively. 

    Also,  AB Position Vector of B Position Vector of A

. For example, let  

    1 1 1A( , )x y ,z  and  2 2 2B( , )x y ,z . Then,  2 2 2 1 1 1ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆAB ( ) ( )

x i y j z k x i y j z k . 

    Here  ,ˆ ˆi j  and  k̂  are the unit vectors along the axes OX, OY and OZ respectively. (The  

    discussion about unit vectors is given later in the point 05(e).) 

04. Direction ratios and direction cosines: If  ˆˆ ˆ ,r x y zi j k

then coefficients of  ˆˆ ˆ, ,i j k  in  r

 i.e.,  , ,x y z  

are  called  the  direction ratios  (abbreviated  as  d.r.’s)  of  vector  r

.  These  are  denoted  by  , ,a b c (i.e.

, , a x b y c z ; in a manner we can say that scalar components of vector rsame).  

Also, the coefficients of  ˆˆ ˆ, ,i j k  in  r̂  (which is the unit vector of  r

) i.e., 2 2 2

x

x y z, 

2 2 2

y

x y z, 

2 2 2

z

x y z are called direction cosines (which is abbreviated as d.c.’s) of vector r

.  

    These direction cosines are denoted by l, m, n such that  cos , cos , cos l m n  and 

    2 2 2 2 2 21 cos cos cos 1 l m n .  

    It can be easily concluded that   cos , cos , x y

l mr r

cos z

nr

    Therefore,  cos cosˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ(cos ) r mr nrlri j k r i j k . (Here 

r r .) 

    [See the  OAP  in Fig.1]     Angles  , ,  are made by the vector  r

 with the positive directions of x, y, z-axes  

    respectively and these angles are known as the direction angles of vector  r

). 

    For a better understanding, you can visualize the Fig.1. 

05. TYPES OF VECTORS a) Zero or Null vector: Its that vector whose initial and terminal points are coincident. It is denoted 

  by  0

. Of course its magnitude is  0  (zero).     Any non-zero vector is called a proper vector.  b) Co-initial vectors: Those vectors  (two  or  more) having  the same initial point  are called  the co-  initial vectors. 

Vector Algebra Formulae For 

BASIC ALGEBRA OF VECTORS  

By Mir Mohammed Abbas II PCMB 'A'

01. Vector - Basic Introduction: A quantity having magnitude as well as the direction is called vector. It  is 

denoted as  AB

and its d.r.’s both are the

Page - [1] List Of Formulae By Mohammed Abbas www.mohammedabbas27.wordpress.com

 Page - [2]

c) Co-terminous vectors: Those vectors (two or more) having the same terminal point are called the   co-terminous vectors.  d) Negative of a vector: The vector which has the same magnitude as the  r

 but opposite direction. It 

  is denoted by  r

. Hence if,   AB BA

r r . That is  AB BA, PQ QP

 etc. 

e) Unit vector: It is a vector with the unit magnitude. The unit vector in the direction of vector  r

 is 

  given by  ˆ rr

r  such that  1r

. So, if  ˆˆ ˆr x y zi j k

 then its unit vector is:  

   2 2 2 2 2 2 2 2 2

ˆˆ ˆˆ x y zi j k

x y z x y z x y zr

    Unit vector perpendicular to the plane of a  and 

b is: 

a b

a b. 

f) Reciprocal of a vector: It is a vector which has the same direction as the vector  r

 but magnitude 

  equal to the reciprocal of the magnitude of  r

. It is denoted as  1r . Hence  1 1r

r

g) Equal vectors:  Two  vectors  are  said  to  be  equal  if  they  have  the  same  magnitude  as  well  as   direction, regardless of the positions of their initial points.  

      Thus 

a b  

a b  

and   have same direction

a b . 

   Also, if  1 2 3 1 2 3 1 1 2 2 3 3ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ , ,

a b a i a j a k b i b j b k a b a b a b . 

h) Collinear or Parallel vector: Two vectors a  and 

b  are collinear or parallel if there exists a non-

  zero scalar   such that  a b

.  

    It is important to note that the respective coefficients of  ˆˆ ˆ, ,i j k  in a  and 

b  are proportional 

    provide they are parallel or collinear to each other. 

    Consider  1 2 3 1 2 3ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ,

a a i a j a k b b i b j b k ,  then by using  a b

, we can conclude 

    that:  31 2

1 2 3

aa a

b b b . 

    The d.r.’s of parallel vectors are same (or are in proportion). 

    The vectors a  and 

b  will have same or opposite direction as   is positive or negative. 

    The vectors a  and 

b  are collinear if  0

a b . 

i) Free vectors:  The  vectors  which  can  undergo  parallel  displacement  without  changing  its   magnitude and direction are called free vectors. 

06. ADDITION OF VECTORS a) Triangular law: If two adjacent sides (say sides AB and BC) of a triangle ABC are represented by 

 a  and 

b  taken in same order, then the third side of the triangle taken in the reverse order gives the 

  sum of vectors a  and 

b  i.e.,  AC AB BC

 AC

a b .   See Fig.2. 

    Also since  AC CA AB BC CA AA 0

.  

    And  AB BC AC

AB BC AC 0 AB BC CA 0

b) Parallelogram law: If two vectors a  and 

b  are represented in magnitude and the direction by the 

  two  adjacent  sides  (say  AB  and  AD)  of  a  parallelogram  ABCD,  then  their  sum  is  given  by  that 

  diagonal  of  parallelogram  which  is  co-initial  with a   and 

b   i.e.,  OC OA OB

.  For  the 

  illustration, see Fig.3. 

 

 

 

Multiplication of a vector by a scalar Let a  be any vector and  k  be any scalar. Then the product 

ka  is defined as a vector whose 

magnitude is  k  times that of a  and the direction is  

(i) same as that of a  if  k  is positive, and   (ii) opposite to that of 

a  if k  is negative. 

 

  www.mohammedabbas27.WordPress.com List Of Formulae By Mohammed Abbas

MATHEMATICS – List Of Formulae for Class XII By Mohammed Abbas (II PCMB 'A')

 Page - [3]

07. PROPERTIES OF VECTOR ADDITION

• Commutative property:   a b b a

.  

    Consider  1 2 3ˆˆ ˆa a i a j a k

 and  1 2 3

ˆˆ ˆb b i b j b k

 be any two given vectors.  

    Then  1 1 2 2 3 3ˆˆ ˆa b a b i a b j a b k b a

• Associative property:   a b c a b c

 

• Additive identity property:   0 0a a a

• Additive inverse property:   ( ) 0 ( )

a a a a . 

08. Section formula: The position vector of a point say P  dividing a line segment joining the points A and B 

whose position vectors are  a

 and b

 respectively, in the ratio m:n

(a)   internally, is  OP

mb na

m n     

  (b)   externally, is  OP

mb na

m n. 

    Also if point P is the mid-point of line segment AB then, OP2

a b. 

Important Terms, Definitions & Formulae 

01. PRODUCT OF TWO VECTORS

a) Scalar product or Dot product: The dot product of two vectors  a

 and b

 is defined by,     

  . cosa b a b

 where θ is the angle between   a

 and b

,  0 . See Fig.4. 

  Consider  1 2 3 1 2 3ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ,a a i a j a k b b i b j b k

. Then  1 1 2 2 3 3.a b a b a b a b

   Properties / Observations of Dot product

  •  ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ. cos0 1 . 1 . .i i i i i i j j k k . 

  •  ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ. cos 0 . 0 . .2

i j i j i j j k k i

  •  . R,

a b  where  R is real number i.e., any scalar. 

  •  . .a b b a

 (Commutative property of dot product). 

  •  . 0a b a b

  •  If  θ 0=  then,  .

a b a b . Also 2 2.

a a a a ; as θ  in this case is 0 .  

    Moreover if θ =  then,  .

a b a b . 

  •  . . .a b c a b a c

 (Distributive property of dot product). 

  •  . . .a b a b a b

  •  Angle between two vectors  a

 and b

 can be found by the expression given below:  

           .

cos

a b

a b  

PRODUCT OF VECTORS

DOT PRODUCT & CROSS PRODUCT  

List Of Formulae By Mohammed Abbas www.mohammedabbas27.wordpress.com

MATHEMATICS – List Of Formulae for Class XII By Mohammed Abbas (II PCMB 'A')

 Page - [4]

or,  1 .cos

a b

a b

  •  Projection of a vector  a

 on the other vector say  b

 is given as .a b

b

 i.e.,  ˆ.a b

.  

    This is also known as Scalar projection or Component of a

along b

  •  Projection vector of  a

 on the other vector say b

 is given as . ˆ.

a bb

b

.  

    This is also known as the Vector projection. 

  •  Work done W in moving an object from point A to the point B by applying a force  F

 is 

    given as  W F.AB

b) Vector product or Cross product:  The  cross  product  of  two  vectors  a

  and  b

  is  defined  by, 

  ˆsina b a b

, where    is  the angle between  the vectors  a

  and  b

,  0   and  ̂   is a 

  unit vector perpendicular to both a

 and b

. For better illustration, see Fig.5.             

  Consider  1 2 3 1 2 3ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ,a a i a j a k b b i b j b k

.  

  Then,  1 2 3 2 3 3 2 1 3 3 1 1 2 2 1

1 2 3

ˆˆ ˆ

ˆˆ ˆ

i j k

a b a a a a b a b i a b a b j a b a b k

b b b

   Properties / Observations of Cross product

  •  ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆsin 0. 0 0i i i i j i i j j k k

  •  ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ sin .2

i j i j k k

ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ, ,i j k j k i k i j . 

  •  Fig.6 at the end of chapter can be considered for memorizing the vector product of  ˆˆ ˆ, ,i j k . 

  •  a b

 is a vector  c

 (say) and this vector c

is perpendicular to both the vectors a

and b

  •  ˆsin sin

a b a b a b  i.e., sin

a b ab . 

  •  0a b

//a b

 or,  0, 0

a b . 

  •  0a a

  • 

a b b a  (Commutative property does not hold for cross product). 

  •  ;a b c a b a c b c a b a c a

  

    (Distributive property of the vector product or cross product). 

  •  Angle between two vectors  a

 and b

 in terms of Cross-product can be found by the  

    expression given here:   sin

a b

a b

  

        or,  1sin

a b

a b

.  

  •  If  a

 and b

 represent the adjacent sides of a triangle, then the area of triangle can be  

    obtained by evaluating 1

2

a b . 

List Of Formulae By Mohammed Abbas www.mohammedabbas27.wordpress.com

MATHEMATICS – List Of Formulae for Class XII By Mohammed Abbas (II PCMB 'A')

 Page - [5]

  •  If  a

 and  b

represent the adjacent sides of a parallelogram, then the area of parallelogram 

    can be obtained by evaluating 

a b . 

  •  If  p

 and  q

 represent the two diagonals of a parallelogram, then the area of

parallelogram can be obtained by evaluating 1

2 p q . 

 

 

 

02. Relationship between Vector product and Scalar product [Lagrange’s Identity]

Consider two vectors  a

 and b

. We also know that   ˆsina b a b

.

  Now,         ˆsin

a b a b  

              sin

a b a b  

             2 22 2sin

a b a b  

             

2 22 2

2 2 22 2 2

1 cos

cos

a b a b

a b a b a b 

             

22 22

2 2 22

cos

.

a b a b a b

a b a b a b

 

  or,            2 22 2

.a b a b a b

    Note that 2 . .

. .

a a a ba b

a b b b

. Here the RHS represents a determinant of order 2. 

03. Cauchy- Schwartz inequality:

For any two vectors  a

 and b

, we always have  .a b a b

Proof: The given inequality holds trivially when either  0

a  or  0 b  i.e., in such a case  . 0a b a b

So, let us check it for  0

a b . 

As we know,  . cosa b a b

 

    2 22 2. cosa b a b

 

Also we know  2cos 1  for all the values of  . 

   2 22 22cosa b a b

 

    2 22

.a b a b

 

    .a b a b

.                       [H.P.] 

04. Triangle inequality: 

For any two vectors  a

 and b

, we always have 

a b a b . 

Proof: The given inequality holds trivially when either  0

a  or  0 b  i.e., in such a case we have  

If a and

b represent the adjacent sides of a parallelogram, then the

diagonals 1

d and 2

d of the parallelogram are given as:

1 d a b , 2

d b a .

List Of Formulae By Mohammed Abbas www.mohammedabbas27.wordpress.com

MATHEMATICS – List Of Formulae for Class XII By Mohammed Abbas (II PCMB 'A')

 

0

a b a b . So, let us check it for  0

a b .  

Then consider 2 22

2 .

a b a b a b  

   2 22

2 cos

a b a b a b  

  For  cos 1 , we have:  2 cos 2a b a b

 

   2 22 2

2 cos 2a b a b a b a b

 

    22

a b a b    

   

a b a b .                     [H.P.] 

Important Terms, Definitions & Formulae

01. SCALAR TRIPLE PRODUCT: 

If  a

,b

  and c   are  any  three  vectors,  then  the  scalar  product  of 

a b   with 

c   is  called  scalar  triple 

product of  a

,b

 and c . 

Thus,  ( ).

a b c  is called the scalar triple product of  a

,b

 and c . 

    Notation for scalar triple product: The scalar triple product of  a

,b

 and c  is denoted 

    by  [ ]

a b c . That is,  ( ). [ ]

a b c a b c . 

Scalar triple product is also known as mixed product because in scalar triple product, both the signs of dot and cross are used.

Consider  1 2 3 1 2 3 1 2 3ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ, ,

a a i a j a k b b i b j b k c c i c j c k .  

Then, 

1 2 3

1 2 3

1 2 3

[ ]

a a a

a b c b b b

c c c

   Properties / Observations of Scalar Triple Product

  •  ( ). .( )

a b c a b c . That is, the position of dot and cross can be interchanged without 

    change in  the value of  the  scalar  triple product (provided their cyclic order  remains  the     same). 

  •  [ ] [ ] [ ]

a b c b c a c a b . That is, the value of scalar triple product doesn’t change 

    when cyclic order of the vectors is maintained. 

    Also  [ ] [ ]; [ ] [ ]

a b c b a c b c a b a c . That is, the value of scalar triple  

    product remains the same in magnitude but changes the sign when cyclic order of the     vectors is altered. 

  •  For any three vectors  a

, b

, c  and scalar  , we have  [ ] [ ]

a b c a b c . 

  •  The value of scalar triple product is zero if any two of the three vectors are identical.  

    That is,  [ ] 0 [ ] [ ]

a a c a b b a b a  etc. 

  •  Value of scalar triple product is zero if any two of the three vectors are parallel or      collinear.  

  •  Scalar triple product of  ˆ ˆ,i j  and  k̂  is 1 (unity) i.e., ˆˆ ˆ[ ] 1i j k . 

SCALAR TRIPLE PRODUCT OF VECTORS  

Page - [6] List Of Formulae By Mohammed Abbas www.mohammedabbas27.wordpress.com

MATHEMATICS – List Of Formulae for Class XII By Mohammed Abbas (II PCMB 'A')

 Page - [7]

  •  If [ ] 0

a b c  then, the non-parallel and non-zero vectors  a

, b

 and c  are coplanar. 

   

 

 

Volume Of Parallelopiped

  If  a

,  b

 and c   represent  the  three co-terminus edges of a parallelopiped,  then its 

  volume can be obtained by:  [ ] ( ).

a b c a b c . That is, 

  ( ). Base area of Parallelopiped  Height of Parallelopiped on this basea b c

  If  for  any  three  vectors  a

,  b

  and c ,  we  have  [ ] 0

a b c ,  then  volume  of 

  parallelepiped with the co-terminus edges as  a

,  b

 and c , is zero. This is possible 

  only if the vectors  a

, b

 and c  are co-planar. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

List Of Formulae By Mohammed Abbas www.mohammedabbas27.wordpress.com

MATHEMATICS – List Of Formulae for Class XII By Mohammed Abbas (II PCMB 'A')

VARIOUS FIGURES RELATED TO THE VECTOR ALGEBRA