Suma y Resta de vectores

Suma y resta de vectores

La suma de dos vectores libres es otro vector libre que se determina de la siguiente forma:
Se sitúa el punto de aplicación de uno de ellos sobre el extremo del otro; el vector suma es el vector que tiene su origen en el origen del primero y su extremo en el extremo del segundo.
Por tanto, el vector suma de dos vectores coincide con una de las diagonales, la "saliente", del paralelogramo que puede formarse con los vectores que se suman; la otra diagonal representa la resta de dichos vectores.

Para efectuar sumas o restas de tres o más vectores, el proceso es idéntico. Basta con aplicar la propiedad asociativa.
Al vector que se obtiene al sumar o restar varios vectores se le denomina resultante.

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Suma de Vectores

La suma de los vectores podemos realizarla de dos maneras diferentes, analítica y gráficamente.

Procedimiento Gráfico

Para sumar dos vectores de manera gráfica utilizaremos la denominada Regla del paralelogramo, consistente en trasladar paralelamente los vectores hasta unirlos por el origen, y luego trazar un paralelogramo, del que obtendremos el resultado de la suma, como consecuencia de dibujar la diagonal de ese paralelogramo, como podemos ver en el siguiente dibujo:

Otra manera de expresar la suma de manera gráfica es trasladar el segundo vector a sumar de tal manera que el origen de éste, coincida con el extremo del primer vector, y la suma la obtendremos dibujando un vector que vaya desde el origen del primer vector hasta el extremo del segundo, de la siguiente manera:

Hay que tener muy presente lo siguiente: vectores en la misma dirección se suman (tal y como ya hemos visto en la sección de la suma de vectores), pero vectores con sentidos opuestos se restan (tal y como se puede ver en el apartado correspondiente a la resta de vectores). A continuación tenemos un ejemplo de suma y resta de vectores.

Método Algebraico para la Suma de vectores

Dados tres vectores

La expresión correspondiente al vector suma  es:

o bien

siendo, por tanto,

La suma de vectores goza de las siguientes propiedades:

Conmutativa

a + b = b + a

Asociativa

(a + b) + c = a + (b + c)

Elemento neutro o vector 0

a + 0 = 0 + a = a

Elemento simétrico u opuesto a'

a + a' = a' + a = 0
a' = -a

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Producto de un vector por un escalar

El resultado de multiplicar un escalar k por un vector v, expresado analíticamente por kv, es otro vector con las siguientes características :
1.- Tiene la misma dirección que v.
2.- Su sentido coincide con el de v, si k es un número positivo, y es el opuesto, si k es un número negativo.
3.- El módulo es k veces la longitud que representa el módulo de v. ( Si k es 0 el resultado es el vector nulo).
Analíticamente, tenemos que multiplicar el escalar por cada una de las coordenadas del vector.
Ejemplo : Dado el vector v de componentes : v_xi + v_yj + v_zk, el producto 3 · v = 3 · v_xi + 3 · v_yj + 3 · v_zk.
La representación gráfica del producto es igual a sumar el vector tantas veces como indica el escalar.
Ejemplo :

Propiedades

El producto de un vector por un escalar cumple las siguientes propiedades:
1.- Conmutativa: k · v = v · k.
2.- Distributiva: k (v + u) = (k · v ) + (k · u).
3.- Elemento Neutro: 1 · v = v.
4.- Elemento Simétrico: -1 · v = - v.

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Producto escalar de dos vectores

El producto escalar de dos vectores, expresado analíticamente como r · v, se obtiene de la suma de los productos formados por las componentes de uno y otro vector. Es decir, dados dos vectores r y v, expresados en un mismo sistema de coordenadas:

r = r_xi + r_yj + r_zk
v = v_xi + v_yj + v_zk

teniendo en cuenta que el producto escalar de los vectores :

i · i = j · j = k · k = 1
i · j = i · k = j · k = 0

el resultado de multiplicar escalarmente r por v es:

r · v = r_x· v_x + r_y · v_y+ r_z · v_z

Esta operación no solo nos permite el cálculo de la longitud de los segmentos orientados que representan ( sus módulos ), sino también calcular el ángulo que hay entre ellos. Esto es posible, ya que el producto escalar también se puede hallar en función de sus módulos y del coseno del ángulo que forman mediante la fórmula :

r · v = |r| · |v| · cos (r, v)

Propiedades

Conmutativa : r · v = v · r
Distributiva : r · ( v + u ) = r · v + r · uAsociativa : ( k · r ) · v = k · ( r · v ) = r · ( k · v ) siendo k escalar.
Además :
1.- r · r = 0 si, y sólo sí r = 0.
2.- Si r y v <> 0 y r · v = 0, esto implica que los vectores son perpendiculares, (cos 90º = 0).
3.- El producto escalar de dos vectores es equivalente a multiplicar escalarmente uno de ellos por el vector proyección del otro sobre él.
Ejemplo :
Proyección ortogonal (r_v) de r sobre v
rv= |r| cos (r, v) -> r · v = |v| · r_v
Ejemplo :
Calcular el producto escalar de los vectores r =5 i - 3 j + 2 k y v = -2 i + j + 3 k. Hallar el ángulo que forman.
Primero hallamos el producto escalar de los vectores :

r · v = 5 · (-2) + (-3) · 1 + 2 · 3 = -7

Ahora calculamos el angulo que forman;
sabemos que :

como ya calculamos r · v, nos queda que hallar el producto de sus módulos para poder realizar el cociente:
|r| · |v| = 22.17.
Entonces

y obtenemos que el ángulo entre los vectores es = 108.06º.