- •Геометрия. (Векторы. Метод координат)
- •Глава 1. Векторы
- •§1. Понятие вектора
- •§ 2. Операции над векторами
- •§3. Проектирование и разложение векторов
- •§4. Векторные пространства. Координаты вектора.
- •§5. Скалярное умножение векторов
- •§6. Ориентация плоскости и пространства
- •§7. Смешанное произведение векторов
- •§8. Векторное произведение векторов
- •Глава 2. Метод координат. Прямая на плоскости.
- •§9. Аффинные координаты
- •Покажите сами, что в случае плоскости формулы (9.5) приобретают вид
- •§10. Деление отрезка в данном отношении.
- •§11. Полярные координаты.
- •§12. Задание фигур в координатах.
- •§13. Различные виды уравнений прямой на плоскости.
- •§14. Общее уравнение прямой на плоскости.
- •§15. Метрические задачи теории прямых на плоскости.
- •Глава 3. Прямая и плоскость в пространстве.
- •§16. Различные виды уравнений плоскости.
- •§17. Общее уравнение плоскости.
- •§18. Различные виды уравнений прямой в пространстве.
- •§19. Взаимное расположение прямых и плоскостей в пространстве.
- •§20. Метрические задачи о прямых и плоскостях в пространстве.
§8. Векторное произведение векторов
1. Определение. Векторным произведением ab неколлинеарных векторов а и b называется вектор, удовлетворяющий трем условиям:
(ВП1) Вектор ab ортогонален векторам а и b .
(ВП2) | ab | = |а||b|sin(a,b) .
(ВП3) Базис (a,b, ab) векторного пространства V3 положительно ориентирован.
Векторное произведение коллинеарных векторов по определению полагают равным нулевому вектору. Проверьте, что условия (ВП1) и (ВП2) выполняются и в этом случае.
Замечания. (8.1) Условие (ВП3) показывает, что векторное произведение, как и смешанное, имеет смысл только в ориентированном трехмерном векторном пространстве.
(8.2) Отложим от произвольной точки А векторы АВ = а и AD = b, достроим треугольник ABD до параллелограмма ABCD и заметим, что площадь этого параллелограмма равна |АВ||АD|sinBAD = |а||b|sin(a,b). Таким образом, условие (ВП2) имеет простой геометрический смысл: модуль векторного произведения численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах-сомножителях.
( 8.3) Векторное произведение равно 0 тогда и только тогда, когда сомножители коллинеарны. "Тогда" здесь следует прямо из определения, а "только тогда" – из 8.2: ведь если векторы неколлинеарны, то площадь построенного на них параллелограмма отлична от 0.
Покажем, как построить векторное произведение двух данных неколлинеарных векторов. Для этого снова построим параллелограмм ABCD, у которого АВ = а и AD = b, и проведем через точку А прямую т перпендикулярно плоскости АВС. На этой прямой от точки А отложим отрезки AE и AF, длиной |а||b|sin(a,b) (рис.30). В силу условий (ВП1) и (ВП2) вектор ab должен совпадать с AE или AF. Поскольку AE = –AF, базисы (а, b, АЕ) и (а, b, АF) противоположно ориентированы (упражнение 6.6). Поэтому ровно один из этих базисов ориентирован положительно. Входящий в него вектор (AE или AF) и будет единственным, удовлетворяющим все трем условиям (ВП1)-(ВП3). Таким образом у любых двух векторов есть векторное произведение, и притом только одно.
2. Связь скалярного, векторного и смешанного произведений.
(8.4) Теорема. Для любых векторов а, b и с выполняется равенство abc = (ab)c. Подробнее: смешанное произведение трех векторов равно векторному произведению двух первых векторов, скалярно умноженному на третий вектор.
Если векторы а и b коллинеарны, то abc = 0 в силу компланарности векторов а, b и с, а (ab)c = 0, поскольку ab = 0. Если векторы а и b неколлинеарны, а вектор с компланарен с ними, то abc = 0 и (ab)c = 0, поскольку вектор ab перпендикулярен плоскости, которой параллельны векторы а, b и с. Таким образом, в этих двух случаях теорема справедлива.
Если векторы а, b и с некомпланарны, разложим вектор с по базису (а, b, ab): с = xa + yb + z(ab). Поскольку ab а и ab b, имеем:
(ab)c = (ab)( xa + yb + z(ab)) = x(ab)a + y(ab)b + z(ab)(ab) = z(ab)2 (*).
Построим прямой параллелепипед АВСDА1В1C1D1, у которого АВ = а, AD = b и АА1 = ab. Базис (а, b, ab) по определению положительно ориентирован. Поэтому смешанное произведение ab(ab) положительно. Но тогда
ab(ab) = =|АА1| = |ab||ab| = |ab|2 = (ab)2,
откуда
abc = ab(xa + yb + z(ab)) = хaba + yabb + z ab(ab) = z(ab)2 (**),
ибо aba = abb = 0 в силу компланарности сомножителей.
Сравнивая равенства (*) и (**), получаем требуемый результат.
3. Выражение векторного произведения в координатах и его алгебраические свойства.
(8.5) Теорема. Пусть в некотором положительно ориентированном ортонормированном базисе пространства V3 заданы векторы а(а1, а2, а3) и b(b1, b2, b3). Тогда вектор ab имеет в этом базисе координаты
(, –,).
Пусть в данном базисе ab(x,y,z). По формуле 5.14, теореме 8.4 и свойству 7.9 имеем:
х = (ab)i = abi = – aib = iab = = 1– 0+ 0=. Аналогично (как?)y = jab = –, a z = kab = .
Теперь нетрудно доказать другие алгебраические свойства векторного произведения:
(8.6) ab = – ba (антикоммутативность) .
(8.7) (а1+а2)b = a1b + a2b и a(b1+b2) = ab1 + ab2 (дистрибутивность) .
(8.8) (хa)b = a(xb) = х(ab) (однородность) .
Проверим, например, антикоммутативность. По теореме 8.5
ab(, –, ) = (a2b3–a3b2 , a3b1–a1b3 , a1b2–a2b1).
По той же теореме
ba(, –, ) = (a3b2 – a2b3, a1b3 – a3b1, a2b1 – a1b2) = –ab.
Вычисления, проверяющие свойства 8.7 и 8.8, проведите сами.
4. Площади параллелограмма и треугольника. Возьмем произвольный треугольник АВD и достроим его до параллелограмма ABCD. В силу замечания 8.2 площадь параллелограмма ABCD равна модулю векторного произведения АВAD:
(8.9) = |ABAD|.
Площадь параллелограмма ABCD вдвое больше площади треугольника АВD. Поэтому
(8.10) =|ABAD|.
Полученные формулы в соединении теоремой 8.5 позволяют находить площадь параллелограмма или треугольника по известным координатам векторов его сторон (базис при этом, разумеется, должен быть ортонормированным).
(8.11) Упражнение. Выведите соответствующие координатные формулы.