Геометрия, 9 класс · Соотношения между сторонами и углами треугольника. Скалярное произведение векторов

Угол между векторами. Скалярное произведение

Номера параграфов и упражнений будут из твоего учебника. Выбрать учебник

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Коротко о главном

Угол между векторами — угол между ними, когда их отложили от одной точки; он бывает от \(0^\circ\) до \(180^\circ\). Скалярное произведение векторов — это число: произведение их длин на косинус угла между ними.

\[\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \cdot \cos \alpha\]

Подробное объяснение

Вы тянете санки за верёвку. Если верёвка идёт вдоль дороги, вся сила работает на движение. Если тянуть вверх под углом, часть усилия «пропадает». А если тянуть строго вверх, санки вперёд не поедут вовсе. Важна не только величина силы, но и угол между силой и направлением движения. Скалярное произведение векторов как раз объединяет длины и угол в одно число.

Угол между векторами

Пусть даны векторы \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\). Отложим их от одной точки \(O\): \(\overrightarrow{OA} = \vec{a}\), \(\overrightarrow{OB} = \vec{b}\). Угол \(AOB\) и называют углом между векторами \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\). Обозначение: \(\widehat{\vec{a}\vec{b}}\). От выбора точки \(O\) угол не зависит.

Слева векторы a и b нарисованы в разных местах. Справа те же векторы отложены от одной точки O как OA и OB, угол AOB отмечен дугой α.
Чтобы найти угол между векторами, их откладывают от одной точки; угол α не зависит от выбора этой точки.

Особые случаи:

  • векторы сонаправлены (в том числе если хотя бы один нулевой) — угол \(0^\circ\);
  • векторы противоположно направлены — угол \(180^\circ\);
  • угол \(90^\circ\) — векторы называют перпендикулярными: \(\vec{a} \perp \vec{b}\).

Главная ловушка — векторы, которые идут «друг за другом», например стороны треугольника \(\overrightarrow{AB}\) и \(\overrightarrow{BC}\). Угол треугольника \(ABC\) здесь не подходит: один вектор надо перенести так, чтобы начала совпали. Тогда получится смежный угол \(180^\circ - \angle B\).

Полезное правило: если один из векторов заменить противоположным, угол \(\alpha\) заменится на \(180^\circ - \alpha\).

Скалярное произведение

Скалярным произведением векторов \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\) называют число

\[\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \cdot \cos \alpha,\]

где \(\alpha\) — угол между векторами. Пишут \(\vec{a} \cdot \vec{b}\) или \(\vec{a}\vec{b}\). Результат — не вектор, а обычное число («скаляр»).

Знак произведения ненулевых векторов определяет косинус:

  • угол острый — \(\vec{a} \cdot \vec{b} > 0\);
  • угол прямой — \(\vec{a} \cdot \vec{b} = 0\);
  • угол тупой — \(\vec{a} \cdot \vec{b} < 0\).

Отсюда важный признак: ненулевые векторы перпендикулярны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю.

Если векторы сонаправлены, \(\cos 0^\circ = 1\) и \(\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}|\). В частности, \(\vec{a} \cdot \vec{a} = |\vec{a}|^2\). Это произведение называют скалярным квадратом и пишут \(\vec{a}^2\): скалярный квадрат вектора равен квадрату его длины.

Связь с физикой

Работа постоянной силы \(\vec{F}\) при перемещении \(\overrightarrow{MN}\) равна \(A = |\vec{F}| \cdot |\overrightarrow{MN}| \cdot \cos \varphi\), то есть скалярному произведению силы и перемещения: \(A = \vec{F} \cdot \overrightarrow{MN}\). Сила, перпендикулярная перемещению, работы не совершает.

Как решать задачи

  1. Найдите угол между векторами: при необходимости перенесите один вектор так, чтобы начала совпали.
  2. Найдите длины векторов (теорема Пифагора, свойства фигуры).
  3. Подставьте в формулу \(\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \cos \alpha\); для тупых углов — формулы приведения: \(\cos(180^\circ - \alpha) = -\cos \alpha\).
  4. Если известно произведение, а нужен угол, — выразите \(\cos \alpha = \dfrac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}\).

Разобранные примеры

База

Углы между векторами в прямоугольном треугольнике

Условие

В треугольнике \(ABC\) угол \(C\) прямой, \(\angle A = 30^\circ\). Найдите углы между векторами: а) \(\overrightarrow{AC}\) и \(\overrightarrow{AB}\); б) \(\overrightarrow{CA}\) и \(\overrightarrow{AB}\); в) \(\overrightarrow{CA}\) и \(\overrightarrow{CB}\).

Дано
  • \(\angle C = 90^\circ\)
  • \(\angle A = 30^\circ\)
Найти
  • три угла между векторами
Решение

а) Векторы выходят из точки \(A\), угол между ними — \(\angle CAB = 30^\circ\).

б) \(\overrightarrow{CA}\) противоположен \(\overrightarrow{AC}\), поэтому угол равен \(180^\circ - 30^\circ = 150^\circ\).

в) Векторы выходят из точки \(C\), угол — \(\angle ACB = 90^\circ\), векторы перпендикулярны.

Ответ: а) 30°; б) 150°; в) 90°
Средний

Скалярное произведение сторон треугольника

Условие

В треугольнике \(ABC\) \(AB = 5\), \(AC = 8\), \(\angle A = 60^\circ\). Найдите \(\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}\) и \(\overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{AC}\).

Дано
  • \(AB = 5\)
  • \(AC = 8\)
  • \(\angle A = 60^\circ\)
Найти
  • два скалярных произведения
Решение
  1. \(\overrightarrow{AB}\) и \(\overrightarrow{AC}\) выходят из точки \(A\), угол между ними \(60^\circ\): \(\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 5 \cdot 8 \cdot \dfrac{1}{2} = 20\).
  2. \(\overrightarrow{BA}\) противоположен \(\overrightarrow{AB}\), угол между \(\overrightarrow{BA}\) и \(\overrightarrow{AC}\) равен \(120^\circ\): \(\overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{AC} = 5 \cdot 8 \cdot \left(-\dfrac{1}{2}\right) = -20\).
Ответ: 20 и −20
Сложный

Угол по скалярному произведению

Условие

Известно, что \(|\vec{a}| = 2\), \(|\vec{b}| = \sqrt{2}\) и \(\vec{a} \cdot \vec{b} = -2\). Найдите угол между векторами.

Дано
  • \(|\vec{a}| = 2\)
  • \(|\vec{b}| = \sqrt{2}\)
  • \(\vec{a} \cdot \vec{b} = -2\)
Найти
  • угол \(\alpha\)
Решение

\(\cos \alpha = \dfrac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|} = \dfrac{-2}{2\sqrt{2}} = -\dfrac{\sqrt{2}}{2}\).

Косинус отрицателен — угол тупой. \(\cos 45^\circ = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\), значит, \(\alpha = 180^\circ - 45^\circ = 135^\circ\).

Ответ: 135°

Типичные ошибки

Берут угол треугольника для векторов, идущих «друг за другом»
Почему неверно

Для \(\overrightarrow{AC}\) и \(\overrightarrow{CB}\) в равностороннем треугольнике пишут угол \(60^\circ\). Но угол между векторами измеряют, только отложив их от одной точки. Перенесённый в точку \(C\) вектор \(\overrightarrow{AC}\) смотрит «наружу», и угол получается \(120^\circ\).

Как правильно

Сначала проверьте, выходят ли векторы из одной точки. Если нет — перенесите один из них. Если вектор «входит» в вершину, а другой из неё «выходит», угол равен \(180^\circ\) минус угол фигуры.

Путают угол между векторами с углом между прямыми
Почему неверно

Угол между прямыми не бывает больше \(90^\circ\), и тупой угол иногда «исправляют» на острый. У векторов важно направление: угол между ними может быть от \(0^\circ\) до \(180^\circ\), и тупой угол даёт отрицательное скалярное произведение.

Как правильно

Не заменяйте тупой угол на острый. Для \(\overrightarrow{AB}\) и \(\overrightarrow{BA}\) угол \(180^\circ\), а не \(0^\circ\).

Считают скалярное произведение вектором или забывают косинус
Почему неверно

Запись \(\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}|\) верна только для сонаправленных векторов. А ответ «вектор длиной 12» бессмыслен: скалярное произведение — число, у него нет направления.

Как правильно

Всегда умножайте на \(\cos \alpha\) и записывайте ответ числом, возможно отрицательным или нулём.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

  1. Чему равен угол между ненулевым вектором \(\vec{a}\) и вектором \(-\vec{a}\)?

    Показать ответ

    Ответ: В) 180°

    Векторы \(\vec{a}\) и \(-\vec{a}\) противоположно направлены, угол между ними \(180^\circ\).

  2. Найдите \(\vec{a} \cdot \vec{b}\), если \(|\vec{a}| = 3\), \(|\vec{b}| = 4\), а угол между векторами равен \(120^\circ\).

    Показать ответ

    Ответ: -6

    \(3 \cdot 4 \cdot \cos 120^\circ = 12 \cdot \left(-\dfrac{1}{2}\right) = -6\).

  3. Какие утверждения верны?

    Правильных ответов несколько.

    Показать ответ

    Ответ: А) Скалярное произведение перпендикулярных векторов равно нулю; Б) Если угол между ненулевыми векторами тупой, их скалярное произведение отрицательно; В) Скалярный квадрат вектора равен квадрату его длины

    Скалярное произведение — число \(|\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \cos \alpha\); его знак совпадает со знаком косинуса, а при \(\vec{a} = \vec{b}\) получаем \(|\vec{a}|^2\).

  4. Угол между ненулевыми векторами \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\) равен \(35^\circ\). Каков знак \(\vec{a} \cdot \vec{b}\)?

    Показать ответ

    Ответ: А) Положительный

    Угол острый, \(\cos 35^\circ > 0\), а длины ненулевых векторов положительны.

  5. Длина вектора \(\vec{a}\) равна 5. Чему равен скалярный квадрат \(\vec{a}^2\)?

    Показать ответ

    Ответ: 25

    \(\vec{a}^2 = |\vec{a}|^2 = 5^2 = 25\).

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Длины векторов \(|\vec{a}| = 4\) и \(|\vec{b}| = 5\), угол между ними \(60^\circ\). Найдите \(\vec{a} \cdot \vec{b}\).

Подсказка

Перемножьте длины и косинус угла; \(\cos 60^\circ = \dfrac{1}{2}\).

Решение

\(\vec{a} \cdot \vec{b} = 4 \cdot 5 \cdot \cos 60^\circ = 20 \cdot \dfrac{1}{2} = 10\).

Ответ
10
База Задача 2

Треугольник \(ABC\) равносторонний. Найдите угол между векторами \(\overrightarrow{AB}\) и \(\overrightarrow{BC}\).

Подсказка

Отложите оба вектора от точки \(B\).

Решение

Отложенный от \(B\) вектор \(\overrightarrow{AB}\) идёт по продолжению стороны \(AB\) за точку \(B\). С вектором \(\overrightarrow{BC}\) он образует угол, смежный с \(\angle ABC = 60^\circ\), то есть \(180^\circ - 60^\circ = 120^\circ\).

Ответ
120°
Средний Задача 3

Известно, что \(|\vec{a}| = 6\), \(|\vec{b}| = 2\), \(\vec{a} \cdot \vec{b} = -6\). Найдите угол между векторами \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\).

Подсказка

Из определения \(\cos \alpha = \dfrac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}\).

Решение

\(\cos \alpha = \dfrac{-6}{6 \cdot 2} = -\dfrac{1}{2}\). Угол от \(0^\circ\) до \(180^\circ\) с таким косинусом — \(120^\circ\).

Ответ
120°
Средний Задача 4

В прямоугольнике \(ABCD\) стороны \(AB = 4\) и \(AD = 3\). Найдите \(\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}\).

Подсказка

Найдите диагональ \(AC\) и косинус угла \(BAC\) из прямоугольного треугольника \(ABC\).

Решение

По теореме Пифагора \(AC = \sqrt{16 + 9} = 5\). В треугольнике \(ABC\) \(\cos \angle BAC = \dfrac{AB}{AC} = \dfrac{4}{5}\). Тогда \(\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 4 \cdot 5 \cdot \dfrac{4}{5} = 16\).

Ответ
16
Сложный Задача 5

В прямоугольном треугольнике \(ABC\) угол \(C\) прямой, \(AC = BC = 2\). Найдите \(\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BC}\).

Подсказка

Угол \(ABC\) равен \(45^\circ\), но векторы \(\overrightarrow{AB}\) и \(\overrightarrow{BC}\) не выходят из одной точки.

Решение

\(AB = 2\sqrt{2}\), \(\angle ABC = 45^\circ\). Отложив \(\overrightarrow{AB}\) от точки \(B\), получим угол между векторами \(180^\circ - 45^\circ = 135^\circ\). \(\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BC} = 2\sqrt{2} \cdot 2 \cdot \cos 135^\circ = 4\sqrt{2} \cdot \left(-\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right) = -4\).

Ответ
−4
Сложный Задача 6

Скалярное произведение ненулевых векторов \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\) отрицательно. Каким — острым, прямым или тупым — будет угол между векторами \(\vec{a}\) и \(-\vec{b}\)?

Подсказка

Как связаны углы между \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\) и между \(\vec{a}\) и \(-\vec{b}\)?

Решение

Раз \(\vec{a} \cdot \vec{b} < 0\), угол \(\alpha\) между \(\vec{a}\) и \(\vec{b}\) тупой. Вектор \(-\vec{b}\) направлен противоположно \(\vec{b}\), поэтому угол между \(\vec{a}\) и \(-\vec{b}\) равен \(180^\circ - \alpha\) — он острый.

Ответ
Острый

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите два карандаша и сложите их концами в одной точке: угол между ними и есть угол между векторами. Покажите, что если карандаш «перевернуть», угол станет дополнительным до \(180^\circ\). Потом объясните скалярное произведение через санки: тянем верёвку под разными углами — чем ближе верёвка к направлению движения, тем больше «полезная» работа; при угле \(90^\circ\) она равна нулю, а при тупом угле мы тормозим санки.

Вопросы для проверки понимания: 1) Чему равно скалярное произведение перпендикулярных векторов? 2) Почему угол между \(\overrightarrow{AB}\) и \(\overrightarrow{BC}\) в треугольнике не равен углу \(B\)? 3) Как по знаку скалярного произведения узнать, острый угол между векторами или тупой?

На что обратить внимание. Ребёнок должен уверенно помнить косинусы \(30^\circ\), \(45^\circ\), \(60^\circ\) и формулу \(\cos(180^\circ - \alpha) = -\cos \alpha\) — без них задачи на тупые углы не решаются. И стоит убедиться, что он не путает скалярное произведение с умножением вектора на число.

Где в учебниках

УчебникПараграфУпражнения
Геометрия. 7–9 классы (Атанасян, Бутузов и др.) § 109 1128, 1129
Геометрия. 7–9 классы (Атанасян, Бутузов и др.) § 110 1130, 1131
Проверено методистом 2 октября 2026.
Нашли ошибку?

Опечатка, неверный ответ, непонятное объяснение — напишите, что не так. Мы проверим и исправим.