Operaciones con vectores libres

1.- Suma de vectores libres

Sean a y b dos vectores libres y O un punto cual­quiera del plano. Sea OA el único representante de a con ori­gen en O y AB el único re­pre­sen­­tante de b con origen en A. Se lla­ma suma de los vectores li­bres a y b, y se escribe a+b, al vec­tor li­bre de re­pre­sentante el vec­tor fijo OB:

a+b=[OA]+[AB]=[OB]

Como los triángulos[1] OAB y O'A'B' son iguales por tener iguales dos lados, OA=O'A' y AB=A'B', y el ángulo compren­di­do, OAB=O'A'B' (ya que los lados son paralelos), la suma de vec­to­res libres es independiente del pun­to O elegido para efectuarla:

O'B' ~OB Þ [O'B'  ]=[OB]

Propiedades:

1ª) Asociativa: a+(b+c)=(a+b)+c.

En efecto, sea O un punto cualquiera del plano, OA el único re­pre­sentante de a con origen en O, AB el único representante de b con origen en A y BC el único representante de c con origen en B:

 →  a+(b+c)=(a+b)+c


2ª) Conmutativa: a+b = b+a.

En efecto, sea O un punto cualquiera del plano, OA el único re­presentante de a con ori­gen en O y AB el único representante de b con origen en A. Se traza por O la paralela a la recta AB y por B la paralela a la recta  OA. La intersección de ambas es un punto C que veri­fi­ca:

Þ Þ a+b=b+a

El procedimiento que hemos seguido en este apartado para sumar dos vectores libres recibe el nombre de regla del paralelogramo. Es decir: dibujarlos con origen común O, construir el paralelo­gramo correspondiente OABC y trazar la diagonal OB. La suma es el vector libre [OB].

3ª) El elemento neutro de la suma es el vector libre 0, ya que, si a es un vector libre cualquiera del plano, se cumple: a+0=a.

En efecto, sea O un punto cualquiera del plano, OA el único re­pre­sentante de a con origen en O y AA el único representante de 0con origen en A. Se verifica: a+0=[OA]+[AA]=[OA]=a.

4ª) Elemento opuesto: todo vector li­bre a=[AB] tiene opuesto, que designa­re­mos por -a, y es el vector libre [BA].

En efecto: a+(-a)=[AB]+[BA]=[AA]=0.

En el conjunto de los vectores libres del plano se puede definir una nueva ope­­ración: la resta. Restar dos vectores li­bres es sumar al mi­nuendo el opuesto del sustraendo. Es decir: a-b=a+(-b).

2.- Producto de un número real por un vector libre

Se llama producto del número real x por el vector libre a, y se designa por x·a, al siguiente vector libre:

   • Si x=0 o a=0, x·a=0.

   • Si x≠0 y a≠0, x·a es el vector libre cuyas características son:

       - Módulo: |x·a|=|x|·|a|.

       - Dirección: x·a || a.

       - Sentido:

                 * x·a ↑­a si x>0

                 * x·a↓a si x<0

Observa que si uno de los factores es cero, también es cierta la igualdad: |x·a|=|x|·|a|.

Propiedades:

1ª) x·(a+b)=x·a+x·b

2ª) (x+y)·a=x·a+y·a

3ª) (x·y)·a=x·(y·a)

4ª) 1·a=a

Las demostraciones de estas pro­pie­da­des, salvo la última, son muy la­­boriosas porque hay que distinguir en ellas muchos casos. Como ejem­plo, indicamos cómo sería la de­mostración de la primera cuando a y b no tienen la misma dirección y x>0:

Si a=[OA], b=[AB], x·a=[OC] y CD||AB, es fácil ver, por la seme­jan­za de los triángulos OAB y OCD, que [CD]=x·b y que [OD]=x(a+b), pues [OB]=a+b.

Por tanto: [OD]=[OC]+[CD]=x·a+x·b=x(a+b).

IV.- Vectores colineales



[1] Si OAB no es un triángulo, es fácil ver que la suma no depende del punto donde se haga.