Как найти угол между векторами

Угол между векторами

На изображении это α, который также можно обозначить следующим образом:

\(\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)\)

Как и любой другой угол, векторный может быть представлен в нескольких вариациях.

Острый:

Тупой:

Прямой:

С величиной \(0^\circ\) (то есть, векторы сонаправлены):

С величиной \(180^\circ\) (векторы направлены в противоположные стороны):

Нахождение угла между векторами

Как правило, угол между \( \overrightarrow a\) и \(\overrightarrow b\) можно найти с помощью скалярного произведения или теоремы косинусов для треугольника, который был построен на основе двух этих направляющих.

Формула скалярного произведения:

\(\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)=\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|\times\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)\)

1. Если α — острый, то СП (скалярное произведение) будет положительным числом (cos острого угла — положительное число).
2. Если векторы имеют общую направленность, то есть угол между ними равен \(0^\circ\), а косинус — 1, то СП будет тоже положительным.
3. Если α — тупой, то скалярное произведение будет отрицательным (cos тупого угла — отрицательное число).
4. Если α равен \(180^\circ\), то есть векторы противоположно направлены, то СП тоже отрицательно, потому что cos данного угла равен 1.
5. Если α — прямой, то СП равно 0, так как косинус \(90^\circ\) равен 0.

В случае, если \overrightarrow a и \overrightarrow b не нулевые, можно найти косинус α между ними, опираясь на формулу:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)}{\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|}\)

Расчет угла, если вектор задан координатами

В случае, когда направляющие расположены на двухмерной плоскости с заданными координатами в виде \(\overrightarrow a=\left(a_x;a_y\right)\) и \(\overrightarrow b=\left(b_x;b_y\right)\), то угол между ними можно найти следующим образом:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)}{\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|}=\frac{a_x\cdot b_x+a_y\cdot b_y}{\sqrt{a_x^2+a_y^2}\cdot\sqrt{b_x^2+b_y^2}}\)

Если же координаты находятся в трехмерном пространстве и заданы в виде:

\(\overrightarrow a=\left(a_x;a_y;a_z\right)\)

\( \overrightarrow b=\left(b_x;b_y;b_z\right)\)

то формула принимает такой вид:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)}{\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|}=\frac{a_x\cdot b_x+a_y\cdot b_y+a_z\cdot b_z}{\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}\cdot\sqrt{b_x^2+b_y^2+b_z^2}}\)

Расчет угла, если заданы три точки в прямоугольной системе координат

В этом случае проще будет разобраться с объяснениями сразу на примере.

Допустим, нам известны три точки и их координаты: A(3,-2), B(2,1), C (6,-1). Нужно найти косинус угла между \(\overrightarrow{AC}\) и \(\overrightarrow{BC}\).

Решение

Для начала найдем их координаты по известным координатам заданных точек:

\(\overrightarrow{AC}=(6-3, -1-(-2))=(3,1)\)

\(\overrightarrow{BC}=(6-2, -1-1)=(4,-2)\)

После этого уже можем применить формулу для определения косинуса угла на плоскости и подставить известные значения:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow{AC};\overrightarrow{BC}}\right)=\frac{(\overrightarrow{AC};\;\overrightarrow{BC})}{\left|\overrightarrow{AC}\right|\cdot\left|\overrightarrow{BC}\right|}=\frac{3\cdot4+1\cdot(-2)}{\sqrt{3^2+1^2}\cdot\sqrt{4^2+{(-2)}^2}}=\frac{10}{\sqrt{10}\cdot2\sqrt5}=\frac{10}{10\sqrt2}=\frac1{\sqrt2}\)

Ответ: \(\cos\left(\widehat{\overrightarrow{AC};\overrightarrow{BC}}\right)=\frac1{\sqrt2}.\)

Примеры решения задач

Для наглядности, взглянем на примеры решения задач по данной теме.

Задача 1

Известно, что \(\overrightarrow a\) и \(\overrightarrow b\). Их длины равны 3 и 6 соответственно, а скалярное произведение равно -9. Нужно найти cos угла между векторами и его величину.

Решение

Применим формулу:

\( \cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)}{\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|}\)

Подставим известные значения:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{-9}{3\cdot6}=-\frac12\)

Далее найдем угол между данными векторами:

\(arc\cos\left(-\frac12\right)=\frac{3\pi}4\)

Ответ: \(\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=-\frac12,\;\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{3\pi}4.\)

Задача 2

В пространстве даны координаты \(\overrightarrow a=(8; -11; 7)\) и \(\overrightarrow b=(-2; -7; 8)\). Вычислить угол α между ними.

Решение

Используем формулу для нахождения косинуса угла между направляющими в трехмерной системе координат:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)}{\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|}=\frac{a_x\cdot b_x+a_y\cdot b_y+a_z\cdot b_z}{\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}\cdot\sqrt{b_x^2+b_y^2+b_z^2}}\)

Подставляем значения и получаем:

\(\cos\left(\alpha\right)=\frac{8\cdot(-2)+(-11)\cdot(-7)+7\cdot8}{\sqrt{8^2+{(-11)}^2+7^2}\cdot\sqrt{{(-2)}^2+{(-7)}^2+8^2}}=\frac{117}{\sqrt{234}\cdot\sqrt{117}}=\frac{\sqrt{117}}{\sqrt{234}}=\frac1{\sqrt2}=\frac2{\sqrt2}\)

Теперь находим угол α:

\(\alpha=arc\cos\left(\frac2{\sqrt2}\right)=45^\circ\)

Ответ: \(45^\circ\).

Задача 3

Известны \(\overrightarrow a=(3; 4)\) и \(\overrightarrow b=(2; 5)\). Найти угол между ними.

Решение

Для расчета используем формулу:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)}{\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|}=\frac{a_x\cdot b_x+a_y\cdot b_y}{\sqrt{a_x^2+a_y^2}\cdot\sqrt{b_x^2+b_y^2}}\)

Подставим известные значения и получим:

\(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{\left(\overrightarrow a;\overrightarrow b\right)}{\left|\overrightarrow a\right|\times\left|\overrightarrow b\right|}=\frac{a_x\cdot b_x+a_y\cdot b_y}{\sqrt{a_x^2+a_y^2}\cdot\sqrt{b_x^2+b_y^2}}=\frac{3\cdot2+4\cdot5}{\sqrt{3^2+4^2}\cdot\sqrt{2^2+5^2}}=\frac{26}{\sqrt{25}\cdot\sqrt{29}}=\frac{26}{5\sqrt{29}}\)

Ответ: \(\cos\left(\widehat{\overrightarrow a;\overrightarrow b}\right)=\frac{26}{5\sqrt{29}}\)