Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Векторная алгебра.pdf
Скачиваний:
40
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
606.88 Кб
Скачать

r

r r

образуют правую тройку,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Векторы a,b ,c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так как ar br cr = ([ar,br],cr)= ([ar,br],[ar,br])=

 

[ar,br]

 

2 > 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ar,br]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ar,b ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

br

 

 

 

 

 

Пример 1. Найти

 

[cr ,cr

]

 

, если cr = 4ar 2b и cr = −ar +3b .

 

 

ar

 

=

 

 

 

 

 

= 2 , ar b = 30o .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. По свойствам векторного произведения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[cr1 ,cr2 ]= [4ar 2br,ar +3br

]= −4[ar,ar]+ 2[b ,ar]+12[ar,b]6[b ,b ].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая, что [ar, ar]= 0r, [br, br]= 0r и [ar,b]= −[b ,ar], получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[cr1 ,cr2 ]= −2[ar,br]+12[ar,br]=10[ar,br]. Тогда

 

[cr1 ,cr2 ]

 

=10

 

[ar,br]

 

 

=10

 

ar

 

 

 

br

 

sin(ar br)=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=10 2 2 sin 30o = 40 0,5 = 20 .

Ответ. [cr1 ,cr2 ] =20.

2.9Задачи, решаемые с помощью векторного произведения

1.Вычисление площадей параллелограмма и треугольника, построенных на двух векторах.

a

α

b

Рис. 2.12

Площадь параллелограмма, построенного на векторах a и b равна

 

 

Sпар =

 

ar

 

 

 

br

 

sin(ar br), а площадь треугольника Sтр

 

=1 2 Sпар =1 2 ar br sin(ar br).

 

 

 

 

 

 

Из условия

 

2

 

пункта 2.8 следует Sпар = [ar,br], Sтр =1 2

 

[ar,br]

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1. Вычислить площадь треугольника

ABC ,

 

если

A(2,2,3),

B(3,6,0),

C(4,3,1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Треугольник АВС образован векторами

kr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

2

[AB, AC]=

 

ir

rj

 

r

r

r

13

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

1

 

 

5 4

3

 

 

 

AB =

 

и

AC =

.

 

 

=13i

26 j

+13k

= − 26

.

 

3

 

 

 

 

 

4

 

 

 

2 1 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

S ABC =1 2 [AB, AC]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1 2

132 + 262 +132

=13 2

6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ. 13 2

6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

2. Вычисление момента сил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если вектор силы

fr

приложен к точке A и требуется найти момент этой силы

 

 

относительно точки О, то момент силы M равен M = [OA, f ](рис.2.13).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

fr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Вычислить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(3,2,7)

момент силы

 

f = 2

,

приложенной

к

точке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

относительно точки O(1,2,1).

 

 

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ir

rj

kr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

r

r

 

r

 

18

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

4

6

 

+

 

12

 

Решение. OA =

, M = [OA, f ]=

 

 

= −18i

12 j

4k

=

.

 

 

6

 

 

 

1

2

1,5

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ. M =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Определение вектора, ортогонального двум данным

Иногда требуется найти вектор, ортогональный двум данным. Из условия 1 пункта 2.8 следует, что искомый вектор коллинеарен векторному произведению заданных векторов.

Пример 3. Найти вектор p , ортогональный векторам,

 

1

 

r

7

(p,c)= 3

1

ar

 

2

 

 

0

 

 

=

и b

=

, для которого

, где c = 1 .

 

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Решение.

Вектор

p коллинеарен векторному произведению [ar,b ], следовательно

p =α [ar,br].

Поскольку [ar

 

r

]=

 

ir

rj

kr

 

r

r

 

r

 

4

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

 

+

 

 

 

,b

 

 

= 4i

23 j

14k

=

23 , то

 

 

 

 

 

 

7

0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

4

 

 

 

4α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4α 1 23α 1 +14α 1 = 3 ,

p =α

 

=

23α . Так как (p,cr)= 3 , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

14α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или 5α = 3,α = −35 = −0,6 . Теперь можно определить координаты вектора p :

19

4

 

2,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p = α 23

 

= 13,8

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

8,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ. p =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13,8

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.10

Геометрический смысл смешанного произведения. Задачи,

 

 

 

 

 

решаемые с помощью смешанного произведения

arbrcr = ([ar,br],cr)=

 

[ar,br

]

 

 

 

cr

 

cosα , где α - угол между векторами

[ar,b ]и c .

 

 

 

 

Построим на векторах

ar,b ,cr параллелепипед (рис. 2.14.)

и покажем, что смешанное

произведение arbrcr равно модулю объема этого параллелепипеда.

Так как

 

[ar,br]

 

равно

 

 

площади параллелограмма, построенного

на векторах ar,b

или

площади основания

параллелепипеда,

построенного на векторах

ar,b ,cr, а cr cosα – проекция вектора cr на

вектор [ar,br]или высота h параллелепипеда, то arb cr = Sпарма h =Vпараллелепида .

[ar,br]

cr

h α b

a

Рис. 2.14.

Рис. 2.14. сделан для векторов, которые образуют правую тройку, в этом случае угол между векторами cr и [ar,br]острый и h = cr cosα > 0 .

c h α b

a

[ar,br]

Рис. 2.15.

r r r [r r]

Если тройка векторов a,b ,c – левая (рис.2.15.), то угол между векторами c и a,b >90o. В этом случае cosα < 0 и тогда h = −cr cosα > 0 . Поэтому arb cr = −Vпараллелепида . При любом расположении векторов arb cr = ±Vпараллелепида .

20

Геометричеcкий смысл смешанного произведения используют при вычислении объемом параллелепипедов и тетраэдров, построенных на трех векторах. Формула объема

параллелепипеда уже получена Vпараллелепида = arbrcr .

Выведем формулу объема тетраэдра (четырехугольной пирамиды), построенной на

векторах ar,br,cr. Из рис. 2.16 легко видеть, чтоVтетраэдра =13 S0 h , где S0 - площадь треугольника в основании тетраэдра, а h – его высота. Поскольку площадь треугольника

S0 =12 Sпарма , где Sпарма – площадь параллелограмма, построенного на векторах a и b ,

а высоты тетраэдра и параллелепипеда, построенных на векторах ar,b ,cr совпадают, то

Vтетраэдра =1 6 Sпарма h =1 6 Vпарда =1 6 arbrcr .

c

b h

a

Рис. 2.16.

Пример. Найти объем тетраэдра ABCD , если A(1,3,5), B(1,2,4), C(0,0,2),

D(6,1,2).

Решение.

Тетраэдр ABCD построен на векторах

2

 

 

1

7

 

 

 

 

3

 

 

2

 

AB = 5

, AC =

, AD =

, (Рис. 2.17).

 

 

 

3

 

 

3

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

r r r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vтетраэдра =1 6 a b c . Вычислим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r r r

 

2

5

1

 

(3) (3)

 

 

2

5

1

 

 

5

12

 

= (13

 

12)= −77 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

3

 

 

 

=

 

5 12

0

 

=

 

5

a b c = =

 

 

 

 

 

1

13

 

 

 

7

2

3

 

 

 

 

 

1

13

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда Vтетраэдра =1 6 77 = 77 / 6 .

Ответ. 77 / 6 . D

C

A

B

Рис. 2.17.

21