Координаты вектора в пространстве: как найти по двум точкам

Чтобы найти координаты вектора AB в пространстве, вычтите координаты его начала A из координат конца B по каждой оси: x(B)-x(A), y(B)-y(A), z(B)-z(A). Получится упорядоченная тройка. Для вектора BA порядок вычитания обратный, поэтому все три координаты меняют знак.

Правило короткое, но ошибки обычно появляются в двух местах: путают, какая точка стоит в начале стрелки, и теряют минус при вычитании отрицательной координаты. Запись по осям и обратная проверка помогают обнаружить оба сбоя.

Шаг 1. Прочитайте направление стрелки

У вектора AB начало — точка A, конец — точка B. Буквы в обозначении задают направление: движение идёт от первой ко второй. Если поменять буквы местами, получится другой вектор, направленный обратно.

Пусть A=(x(A);y(A);z(A)), B=(x(B);y(B);z(B)). Тогда

AB =(x(B)-x(A);\ y(B)-y(A);\ z(B)-z(A)).

Каждая координата вектора описывает изменение вдоль своей оси. Первая отвечает за x, вторая — за y, третья — за z. Положительное число означает движение в положительном направлении данной оси, отрицательное — в противоположном, ноль — отсутствие изменения по этой оси.

Перед вычислением можно провести от A к B небольшую стрелку рядом с записью задачи. Тогда формула «конец минус начало» получает наглядный смысл. Сам рисунок не обязан точно передавать расстояния или расположение точек в пространстве: знак каждой координаты берётся из чисел, а не из перспективы на листе.

Шаг 2. Вычтите координаты по одинаковым осям

Возьмём A=(-3;2;-4) и B=(2;-1;1). Разложим вычисление на три независимые строки:

x(B)-x(A)=2-(-3)=5,

y(B)-y(A)=-1-2=-3,

z(B)-z(A)=1-(-4)=5.

Значит, AB=(5;-3;5). От точки A до точки B координата x увеличилась на 5, y уменьшилась на 3, z увеличилась на 5.

Полезно записывать исходные точки строго в одном порядке: (x;y;z). Нельзя вычитать z(A) из y(B), даже если числа стоят рядом в черновике. Если координат много или минусы встречаются часто, сделайте короткую строку с названиями осей:

ОсьКонец BНачало AРазность
x2-35
y-12-3
z1-45

Таблица нужна только для вычисления. В ответе координаты вектора снова записываются одной тройкой в порядке x,y,z.

Шаг 3. Проверьте ответ восстановлением конца

Координаты вектора показывают, что нужно прибавить к начальной точке, чтобы попасть в конечную. Поэтому к каждой координате A прибавьте соответствующую координату найденного вектора:

(-3;2;-4)+(5;-3;5)=(2;-1;1).

Получилась точка B, значит, вычитание и направление согласованы. Это проверка сильнее простого повторения вычисления: она отвечает на вопрос, действительно ли найденное перемещение ведёт из A в B.

Для любой задачи схема та же:

A+AB=B.

Здесь сложение выполняется по координатам: x(A) с первой координатой вектора, y(A) со второй, z(A) с третьей. Если восстановленная точка отличается от заданной хотя бы по одной оси, пересчитайте именно эту разность.

Шаг 4. Найдите вектор в обратном направлении

Для тех же точек вектор BA начинается в B и заканчивается в A. Теперь из координат A вычитаются координаты B:

BA =(-3-2;\ 2-(-1);\ -4-1) =(-5;3;-5).

Сравните с AB=(5;-3;5). Каждая координата сменила знак, то есть

BA=-AB.

Если одна координата исходного вектора равна нулю, у обратного она тоже останется нулём: противоположный знак нуля ничего не меняет. Меняется направление перемещения в целом, а длина отрезка между точками остаётся той же.

Проверить обратный вектор можно так же: B+BA=A. В нашем примере (2;-1;1)+(-5;3;-5)=(-3;2;-4).

Ещё один пример: конец с отрицательными координатами

Пусть C=(4;-2;3), D=(-1;-5;-2). Направление CD идёт из C в D, поэтому вычисляем:

CD =(-1-4;\ -5-(-2);\ -2-3) =(-5;-3;-5).

В средней координате особенно легко ошибиться. Выражение -5-(-2) превращается в -5+2=-3, а не в -7. Знак результата согласуется с движением: по оси y мы переходим от -2 к -5, то есть уменьшаем координату на 3.

Проверка восстановлением конца даёт (4;-2;3)+(-5;-3;-5)=(-1;-5;-2). Если бы среднюю координату вектора ошибочно записали как -7, при проверке получилась бы координата y=-9, которая не совпадает с точкой D.

Когда одна из координат равна нулю

Рассмотрим P=(-2;4;1) и Q=(3;4;-2). Здесь у точек одинаковая координата y=4. Следовательно,

PQ =(3-(-2);\ 4-4;\ -2-1) =(5;0;-3).

Нулевая средняя координата не означает, что вектор нулевой. Она говорит только о том, что при переходе от P к Q нет изменения по оси y. По двум другим осям движение есть.

Нулевой вектор получается тогда, когда совпадают все три координаты начала и конца. Если A=B, то AB=(0;0;0). И наоборот: если все три разности равны нулю, исходные точки совпадают.

Этот пример помогает оценить ответ ещё до точного счёта. Если у точек равны координаты по одной оси, соответствующая координата вектора обязана быть нулём. Если в решении стоит ненулевое число, оси или порядок чисел перепутаны.

Как работать с минусами без путаницы

Сначала пишите буквенную формулу, затем подставляйте числа со скобками вокруг каждой отрицательной координаты. Например, для первой координаты AB при x(A)=-3 и x(B)=2 запись 2-(-3) сразу показывает два знака: знак вычитания и знак самого числа -3.

После вычисления проверьте результат смыслом движения. Переход от -3 к 2 по оси x увеличивает координату, значит, первая компонента вектора должна быть положительной. Переход от 2 к -1 по оси y уменьшает её, значит, вторая компонента отрицательна. Такая проверка знака не заменяет арифметику, но помогает заметить явную ошибку.

Когда задача решается вместе с ребёнком, можно попросить его вслух назвать начало, конец и одну разность до записи ответа. Этот приём описан подробнее в статье «Считает вслух — находит ошибку сам». Здесь он особенно полезен на этапе выбора порядка вычитания.

Как понять результат без пространственного рисунка

Координаты (5;-3;5) можно прочитать как три изменения: на 5 в положительном направлении x, на 3 в отрицательном направлении y, на 5 в положительном направлении z. Итоговое перемещение не зависит от того, где именно нарисовано начало: одинаковые тройки координат задают равные векторы.

Например, если из точки M=(0;0;0) отложить перемещение (5;-3;5), получится точка N=(5;-3;5). Если то же перемещение начать из A=(-3;2;-4), получится уже знакомая точка B=(2;-1;1). Начальные и конечные точки разные, а изменение по каждой оси одинаково.

Это позволяет проверить равенство векторов, заданных разными парами точек: найдите обе тройки и сравните их по порядку. Сравнивать только длины отрезков недостаточно, потому что направление тоже входит в понятие вектора. Практику проверки чисел через их смысл можно продолжить на простых примерах из статьи «Пятнадцать раз в день — и всё математика, которую никто не замечает».

Частые вопросы

Что делать, если координаты точек записаны через запятую?

Сначала определите, какие три числа относятся к x, y, z у каждой точки. В ответе сохраняйте тот же порядок осей. Разделять координаты точкой с запятой удобно, когда среди чисел встречаются десятичные дроби с запятой.

Можно ли найти BA, не считая всё заново?

Да. Если AB уже найден, поменяйте знак каждой его координаты. Это следует из обратного порядка вычитания: x(A)-x(B)=-(x(B)-x(A)), и так же для y и z.

Как узнать, лежит ли вектор в направлении одной оси?

У ненулевого вектора, направленного вдоль одной оси, две координаты равны нулю, а третья ненулевая. Например, (0;0;-4) задаёт перемещение только вдоль оси z в отрицательном направлении.

Что означает, если получились одинаковые координаты у двух векторов?

У них одинаковое изменение по каждой из трёх осей, поэтому векторы равны. Их начала при этом могут находиться в разных точках пространства.