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Operaciones con vectores: Producto escalar

Operaciones con vectores: Producto escalar

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Docente: Antonio

Resumen

Operaciones con vectores: Producto escalar

Producto escalar de dos vectores

El producto escalar de dos vectores u\overrightarrow u y v\overrightarrow v no nulos, es el número real que se obtiene al multiplicar el producto de sus módulos por el coseno del ángulo que forman 

uv=u vcos(u,v^)\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v= |\overrightarrow u|\ \cdot |\overrightarrow v| \cdot \cos(\widehat{\overrightarrow u, \overrightarrow v})


Recuerda que: si el producto escalar de dos vectores u\overrightarrow u  y v\overrightarrow v no nulos es igual a 00, estos dos vectores son perpendiculares ya que cos(90)=0\cos(90)=0.



Ejemplo 

Calcula el producto escalar de los vectores u(1,3)\overrightarrow u(1,3) y v(3,2)\overrightarrow v(3,2) sabiendo que forman un ángulo de 60º60º


uv=u v (cosu,v^)=12+3232+22cos(60)=10130,5=5,7\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v= |\overrightarrow u|\ \cdot |\overrightarrow v| \cdot \ (cos\widehat{\overrightarrow u, \overrightarrow v})=\sqrt{1^2+3^2}\cdot\sqrt{3^2+2^2}\cdot\cos(60)=\sqrt{10}\cdot \sqrt{13}\cdot 0,5= \underline{5,7}​​



​​Propiedades del producto escalar

1.
Si u0 uu=u2>0\overrightarrow u\neq0\implies \overrightarrow u \cdot \overrightarrow u=|\overrightarrow u|^2 \gt0​​
2.
uv=vu\overrightarrow u \cdot \overrightarrow v=\overrightarrow v \cdot \overrightarrow u , ya que ​cos(u,v^)=cos(v,u^)\cos(\widehat{\overrightarrow u, \overrightarrow v})=\cos(\widehat{\overrightarrow v, \overrightarrow u})​​
3.
λ(uv)=(λu)v=u(λv)\lambda(\overrightarrow u\cdot\overrightarrow v)=(\lambda\overrightarrow u)\cdot \overrightarrow v=\overrightarrow u\cdot (\lambda\overrightarrow v)​​
4.
u(v+w)=uv+uw\overrightarrow u\cdot (\overrightarrow v+ \overrightarrow w)=\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v+\overrightarrow u \cdot \overrightarrow w​​


Ejemplo 

Sabiendo que vu=3\overrightarrow v\cdot\overrightarrow u=3 y que uw=5\overrightarrow u\cdot \overrightarrow w=5, calcula 4u(v+w)4\overrightarrow u\cdot(\overrightarrow v + \overrightarrow w)


4u(v+w)=4uv+4uw=4(uv)+4(uw)==4(vu)+4(uw)=43+45=324\overrightarrow u\cdot(\overrightarrow v + \overrightarrow w)=4\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v+4\overrightarrow u\cdot \overrightarrow w=4(\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v)+4(\overrightarrow u\cdot \overrightarrow w)=\newline=4(\overrightarrow v\cdot \overrightarrow u)+4(\overrightarrow u\cdot \overrightarrow w)=4\cdot 3+4\cdot 5=\underline{32}



Expresión analítica del producto escalar en la base canónica

2 dimensiones

Tomando como base la base canónica {i,j}\lbrace\overrightarrow i,\overrightarrow j\rbrace, se verifica que, al ser una base ortonormal (todos los miembros de la base son perpendiculares entre sí y tienen norma 1), el producto escalar de dos vectores u\overrightarrow u y v\overrightarrow v puede expresarse como:


uv=(u1i+u2j)(v1i+v2j)=u1v1ii+u1v2ij+u2v1ji+u2v2jj=u1v1ii+u2v2jj=u1v1+u2v2\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v=(u_1\overrightarrow i+u_2\overrightarrow j)\cdot (v_1\overrightarrow i+v_2\overrightarrow j)=u_1v_1\overrightarrow i\cdot\overrightarrow i +u_1v_2\overrightarrow i\cdot\overrightarrow j +u_2v_1\overrightarrow j\cdot\overrightarrow i+u_2v_2\overrightarrow j\cdot\overrightarrow j =u_1v_1\overrightarrow i\cdot\overrightarrow i + u_2v_2\overrightarrow j\cdot\overrightarrow j=\underbrace{u_1v_1+u_2v_2}​​


3 dimensiones 

Para 3 dimensiones, la base canónica es  {i,j,k}\lbrace\overrightarrow i, \overrightarrow j, \overrightarrow k\rbrace​, también ortonormal; por lo que siguiendo la misma demostración que en el caso anterior se obtiene:


​​​uv=u1v1+u2v2+u3v3\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v=\underbrace{u_1v_1+ u_2v_2 + u_3v_3}​​



Ejemplo 

Calcula el producto escalar de los vectores u=(2,1)\overrightarrow u=(2,-1) y v=(1,1)\overrightarrow v=(1,1)

uv=21+1(1)=1\overrightarrow u \cdot \overrightarrow v=2\cdot 1 + 1\cdot (-1)=\underline1



Interpretación geométrica del producto escalar

Matemáticas; Vectores; 1. Bachillerato; Operaciones con vectores: Producto escalar


Geométricamente, el producto escalar se puede definir como el módulo de un vector por la proyección ortogonal del otro sobre él. Teniendo en cuenta que  proyut=OQ\operatorname {proy}_{\overrightarrow u} \overrightarrow t=\overrightarrow {OQ'}​​

ut=proyutu=proytut|\overrightarrow u\cdot \overrightarrow t|=|\operatorname {proy}_{\overrightarrow u} \overrightarrow t|\cdot \overrightarrow u= |\operatorname {proy}_{\overrightarrow t} \overrightarrow u|\cdot \overrightarrow t​​


Así, también podemos concluir que:


proyvu=uvvproyuv=uvu|\operatorname{proy}_{\overrightarrow v}\overrightarrow u|=\cfrac{|\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v|}{|\overrightarrow v|} \qquad \qquad |\operatorname{proy}_{\overrightarrow u}\overrightarrow v|=\cfrac{|\overrightarrow u\cdot \overrightarrow v|}{|\overrightarrow u|}



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Preguntas frecuentes

¿Cómo se calcula el ángulo formado por dos vectores ?

¿Qué es el producto escalar de dos vectores?

¿Cómo se calcula el producto escalar de dos vectores?

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