Темы | Предыдущий пункт | Следующий пункт | Литература | ||||
|
||||
Лекция 1.2.
Векторная алгебра |
||||
1.2.9 Смешанное произведение трех векторов. Из трех векторов можно составить три различных типа произведений. Во - первых, можно перемножать два вектора и скалярно и полученный скаляр умножить на третий вектор . В результате получается вектор, называемый простейшим произведением трех векторов: . Во - вторых, можно перемножать два вектора и векторно и полученный вектор умножить тоже векторно на третий вектор . В результате получается вектор, называемый векторно - векторным или двойным векторным произведением трех векторов: . В - третьих, можно перемножить два вектора и векторно и полученный вектор умножить скалярно на третий вектор . В результате получится скаляр, называаемый векторно-скалярным или смешанным произведением трех векторов: . Из этих произведений наибольший практический интерес имеет смешанное произведение, которое мы и рассмотрим подробнее.
Векторно - скалярным или смешанным произведением трех векторов называется произведение, которое получается скалярным умножением векторного произведения двух векторов на третий вектор, т.е. произведение вида . Смешанное произведение представляет собой скаляр, выясним его геометрический смысл. Обозначим , тогда (*). Чтобы истолковать полученный результат, мы построим на векторах , , параллелепипед, основанием которого будем считать параллелограмм со сторонами , . Площадь этого основания: . Обозначим через H высоту, опущенную на это основание. Тогда объем V параллелепипеда определится известной формулой . Теперь нам придется различить два случая. В первом случае, когда перемножаемые векторы , , образуют правую тройку (рис.2.18), т.е. когда из конца третьего вектора поворот от первого вектора ко второму виден происходящим против хода часовой стрелки, и формула (*) примет вид .
Таким образом, векторно-скалярное произведение трех векторов, образующих правую систему, равно объему параллелепипеда, построенного на этих векторах. Во втором случае, когда перемножаемые векторы , , образуют левую систему (т.е. когда с конца третьего вектора поворот от первого вектора ко второму виден происходящим по ходу часовой стрелки, и формула (*) примет вид . Если мы имеем дело с векторно-скалярным произведением трех векторов, образующих левую систему, то его величина отличается только знаком от объема параллелепипеда, построенного на перемножаемых векторах. Итак, , причем знак "+" получается, когда перемножаемые векторы образуют правую систему, и знак "-", когда их система левая. Отсюда следует, что объем параллелепипеда, построенного на трех векторах, всегда равен абсолютной величине их векторно-скалярного произведения: Законы векторно-скалярного умножения 1) Закон сочетательности ; Учитывая закон сочетательности, векторно - скалярное произведение трех векторов обозначают условно так: или . 2) Закон круговой переместительности .
Видим, что при перестановке множителей не нарушающей их кругового порядка, векторно-скалярное произведение не меняется, при перестановке же множителей, нарушающей круговой порядок, векторно-скалярное произведение меняет только свой знак. Правило легко запомнить, используя схему, приведенную на рис. 2.19.
3) Закон распределительности . 4) Закон сочетательности относительно скалярных множителей: . Векторно-скалярное произведение трех векторов равно нулю тогда и только тогда, когда перемножаемые векторы компланарны. Действительно, объем параллелепипеда, построенного на компланарных векторах, равен нулю, и наоборот, если объем равен нулю, то векторы компланарны. В частности, векторно-скалярное произведение равно нулю, если в нем два множителя одинаковы: , например. Векторно-скалярное произведение можно записать в координатной форме. Пусть векторы , , разложены по ортам Тогда, согласно (2.8), получим следовательно или, окончательно,
Пример 1. Проверить, компланарны ли векторы где , , - взаимно перпендикулярные орты. Решение: Векторы компланарны, если их смешанное произведение равно нулю. Определяем Следовательно, векторы компланарны. Пример 2. Найти объем треугольной пирамиды с вершинами и . Решение: Найдем векторы , которые совпадают с ребрами пирамиды и сходятся в вершине А:
Находим смешанное произведение векторов Так как объем пирамиды равен 1/6 части объема параллелепипеда, построенного на векторах , то V=7/6. Ответ: V = 7/6. Пример 3. Показать что точки и лежат в одной плоскости. Решение: Определим векторы , лежащие в одной плоскости и следовательно компланарные: Находим смешанное произведение векторов : Поскольку смешанное произведение векторов равно нулю, то векторы компланарны и, следовательно, точки A,B,C,D лежат в одной плоскости. |
|