Как найти векторное произведение через координаты

Как найти векторное произведение через координаты

Уважаемые студенты!
Заказать решение задач по 200+ предметам можно здесь всего за 10 минут.

Векторное произведение векторов

Определение

Определение

Векторным произведением векторов $ overline{a} $ и $ overline{b} $ является вектор $ overline{c} $, который расположен перпендикулярно к плоскости, образуемой векторами $ overline{a} $ и $ overline{b} $. Само произведение обозначается как $ [overline{a},overline{b}] $, либо $ overline{a} times overline{b} $.

векторное произведение векторов

Векторное произведение векторов, формула которого зависит от исходных данных задачи, можно найти двумя способами.

Формула

Формула 1

Если известен синус угла между векторами $ overline{a} $ и $ overline{b} $, то найти векторное произведение векторов можно по формуле:

$$ [overline{a},overline{b}] = |overline{a}| cdot |overline{b}| cdot sin (overline{a},overline{b}) $$
Формула 2

В случае когда векторы $ overline{a} $ и $ overline{b} $ заданы в координатной форме, то их произведение определяется по формуле:

$$ overline{a} times overline{b} = begin{vmatrix} overline{i} & overline{j} & overline{k} \ a_1 & a_2 & a_3 \ b_1 & b_2 & b_3 end{vmatrix} $$

где векторы $ overline{i},overline{j},overline{k} $ называются единичными векторами соответствующих осей $ Ox, Oy, Oz $.

Определитель во второй формуле можно раскрыть по первой строке:

$$ overline{a} times overline{b} = begin{vmatrix} overline{i} & overline{j} & overline{k} \ a_1 & a_2 & a_3 \ b_1 & b_2 & b_3 end{vmatrix} = overline{i} (a_2 b_3 – a_3 b_2) – overline{j} (a_1 b_3 – a_3 b_1) + overline{k} (a_1 b_2 – a_2 b_1) $$

Итого вторая формула приобретает окончательный короткий вид:

$$ overline{a} times overline{b} = (a_2 b_3 – a_3 b_2; a_3 b_1 – a_1 b_3; a_1 b_2 – a_2 b_1) $$

Свойства

  1. При изменении порядка множителей меняется знак на противоположный: $$ [overline{a},overline{b}] = -[overline{b},overline{a}] $$
  2. Вынос константы за знак произведения: $$ lambda [overline{a},overline{b}] = [lambda overline{a}, overline{b}] = [overline{a}, lambda overline{b}] $$
  3. $$ [overline{a}+overline{b}, overline{c}] = [overline{a},overline{c}] + [overline{b}, overline{c}] $$

Примеры решений

Пример 1

Найти векторное произведение векторов, заданных координатами

$$ overline{a} = (2,1,-3) $$ $$ overline{b} = (1,2,-1) $$
Решение

Составляем определитель, первая строка которого состоит из единичных векторов, а вторая и третья из координат векторов $ overline{a} $ и $ overline{b} $:

$$ overline{a} times overline{b} = begin{vmatrix} overline{i} & overline{j} & overline{k} \ 2&1&-3\1&2&-1 end{vmatrix} = overline{i} (-1+6) – overline{j}(-2+3) + overline{k}(4-1) = 5overline{i} – overline{j} + 3overline{k} $$

Полученный ответ можно записать в удобном виде:

$$ overline{a} times overline{b} = (5, -1, 3) $$

Если не получается решить свою задачу, то присылайте её к нам. Мы предоставим подробное решение онлайн. Вы сможете ознакомиться с ходом вычисления и почерпнуть информацию. Это поможет своевременно получить зачёт у преподавателя!
Ответ
$$ overline{a} times overline{b} = (5, -1, 3) $$

Геометрический смысл

  • Модуль векторного произведения векторов $ overline{a} $ и $ overline{b} $ в геометрическом смысле равен площади параллелограмма, построенного на этих векторах: $$ S_{parall} = |overline{a} times overline{b}| $$
  • Половина этого модуля это площадь треугольника: $$ S_Delta = frac{1}{2} |overline{a} times overline{b} | $$
  • Если векторное произведение равно нулю $ overline{a} times overline{b} = 0 $, то векторы коллинеарны.

 

    Пример 2
    Найти площадь треугольника по заданным векторам $$ overline{a} = (2,1,3) $$ $$ overline{b} = (-1,2,1) $$
    Решение

    Используя геометрический смысл, в частности вторую формулу находим половину модуля векторного произведения векторов.

    Находим определитель:

    $$ begin{vmatrix} overline{i}&overline{j}&overline{k}\2&1&3\-1&2&1 end{vmatrix} = overline{i}(1-6) – overline{j}(2+3) + overline{k}(4+1) = -5overline{i} – 5overline{j} + 5overline{k} $$

    Вычисляем модуль полученного вектора как корень квадратный из суммы квадратов координат этого вектора:

    $$ |overline{a} times overline{b}| = sqrt{(-5)^2 + (-5)^2 + 5^2} = sqrt{25 + 25 + 25} = sqrt{75} $$

    По формуле нахождения площади треугольника имеем:

    $$ S_Delta = frac{1}{2} |overline{a} times overline{b}| = frac{1}{2} sqrt{75} = 4.33 $$
    Ответ
    $$ S_Delta = 4.33 $$
    Источник

    Определение векторного произведения

    Перед тем, как дать понятие векторного произведения, обратимся к вопросу о ориентации упорядоченной тройки векторов a→, b→, c→ в трехмерном пространстве.

    Отложим для начала векторы a→, b→, c→ от одной точки. Ориентация тройки a→, b→, c→ бывает правой или левой, в зависимости от направления самого вектора c→. От того, в какую сторону осуществляется кратчайший поворот от вектора a→ к b→ с конца вектора c→, будет определен вид тройкиa→, b→, c→.

    Если кратчайший поворот осуществляется против часовой стрелки, то тройка векторов a→, b→, c→ называется правой, если по часовой стрелке – левой.

    Определение векторного произведения

    Далее возьмем два не коллинеарных вектора a→ и b→. Отложим затем от точки A векторы AB→=a→ и AC→=b→. Построим вектор AD→=c→, который одновременно перпендикулярный одновременно и AB→ и AC→. Таким образом, при построении самого вектора AD→=c→ мы можем поступить двояко, задав ему либо одно направление, либо противоположное (смотрите иллюстрацию).

    Определение векторного произведения

    Упорядоченная тройка векторов a→, b→, c→ может быть, как мы выяснили правой или левой в зависимости от направления вектора.

    Из вышесказанного можем ввести определение векторного произведения. Данное определение дается для двух векторов, определенных в прямоугольной системе координат трехмерного пространства.

    Определение 1

    Векторным произведением двух векторов a→ и b→ будем называть такой вектор заданный в прямоугольной системе координат трехмерного пространства такой, что:

    • если векторы a→ и b→ коллинеарны, он будет нулевым;
    • он будет перпендикулярен и вектору a→​​​​ и вектору b→ т.е. ∠a→c→=∠b→c→=π2 ;
    • его длина определяется по формуле: c→=a→·b→·sin∠a→,b→;
    • тройка векторов a→, b→, c→ имеет такую же ориентацию, что и заданная система координат.

    Векторное произведение векторов a→ и b→ имеет следущее обозначение: a→×b→.

    Координаты векторного произведения

    Так как любой вектор имеет определенные координаты в системе координат, то можно ввести второе определение векторного произведения, которое позволит находить его координаты по заданным координатам векторов.

    Определение 2

    В прямоугольной системе координат трехмерного пространства векторным произведением двух векторов a→=(ax; ay; az) и b→=(bx; by; bz) называют вектор c→=a→×b→=(ay·bz-az·by)·i→+(az·bx-ax·bz)·j→+(ax·by-ay·bx)·k→, где i→, j→, k→ являются координатными векторами.

    Векторное произведение можно представит как определитель квадратной матрицы третьего порядка, где первая строка есть векторы орты i→, j→, k→, вторая строка содержит координаты вектора a→, а третья – координаты вектора b→ в заданной прямоугольной системе координат, данный определитель матрицы выглядит так: c→=a→×b→=i→j→k→axayazbxbybz

    Разложив данный определитель по элементам первой строки, получим равенство: c→=a→×b→=i→j→k→axayazbxbybz=ayazbybz·i→-axazbxbz·j→+axaybxby·k→==a→×b→=(ay·bz-az·by)·i→+(az·bx-ax·bz)·j→+(ax·by-ay·bx)·k→

    Свойства векторного произведения

    Известно, что векторное произведение в координатах представляется как определитель матрицы c→=a→×b→=i→j→k→axayazbxbybz, то на базе свойств определителя матрицы выводятся следующие свойства векторного произведения:

    1. антикоммутативность a→×b→=-b→×a→;
    2. дистрибутивность a(1)→+a(2)→×b=a(1)→×b→+a(2)→×b→ или a→×b(1)→+b(2)→=a→×b(1)→+a→×b(2)→;
    3. ассоциативность λ·a→×b→=λ·a→×b→ или a→×(λ·b→)=λ·a→×b→, где λ – произвольное действительное число.

    Данные свойства имеют не сложные доказательства.

    Для примера можем доказать свойство антикоммутативности векторного произведения.

    Доказательство антикоммутативности

    По определению a→×b→=i→j→k→axayazbxbybz и b→×a→=i→j→k→bxbybzaxayaz. А если две строчки матрицы переставить местами, то значение определителя матрицы должно меняется на противоположное,следовательно,a→×b→=i→j→k→axayazbxbybz =-i→j→k→bxbybzaxayaz=-b→×a→, что и доказывает антикоммутативность векторного произведения.

    Векторное произведение – примеры и решения

    В большинстве случаев встречаются три типа задач.

    В задачах первого типа обычно заданы длины двух векторов и угол между ними, а нужно найти длину векторного произведения. В этом случае пользуются следующей формулойc→=a→·b→·sin∠a→,b→ .

    Пример 1

    Найдите длину векторного произведения векторов a→ и b→, если известноa→=3, b→=5, ∠a→,b→=π4.

    Решение

    С помощью определения длины векторного произведения векторов a→ и b→ решим данную задач: a→×b→=a→·b→·sin∠a→,b→=3·5·sinπ4=1522.

    Ответ: 1522.

    Задачи второго типа имеют связь с координатами векторов, в них векторное произведение, его длина и т.д. ищутся через известные координаты заданных векторов a→=(ax; ay; az) и b→=(bx; by; bz).

    Для такого типа задач, можно решить массу вариантов заданий. Например, могут быть заданы не координаты векторов  a→ и b→, а их разложения по координатным векторам вида b→=bx·i→ +by·j→+bz·k→ и c→=a→×b→=(ay·bz-az·by)·i→+(az·bx-ax·bz)·j→+(ax·by-ay·bx)·k→, или векторы a→ и b→ могут быть заданы координатами точек их начала и конца.

    Рассмотрим следующие примеры.

    Пример 2

    В прямоугольной системе координат заданы два вектора a→=(2; 1; -3), b→=(0; -1; 1). Найдите их векторное произведение.

    Решение

    По второму определению найдем векторное произведение двух векторов в заданных координатах:a→×b→=(ay·bz-az·by)·i→+(az·bx-ax·bz)·j→+(ax·by-ay·bx)·k→==(1·1-(-3)·(-1))·i→+((-3)·0-2·1)·j→+(2·(-1)-1·0)·k→==-2i→-2j→-2k→.

    Если записать векторное произведение через определитель матрицы, то решение данного примера выглядит следующим образом: a→×b→=i→j→k→axayazbxbybz=i→j→k→21-30-11=-2i→-2j→-2k→.

    Ответ: a→×b→=-2i→-2j→-2k→.

    Пример 3

    Найдите длину векторного произведения векторов i→-j→ и i→+j→+k→, где i→, j→, k→ – орты прямоугольной декартовой системы координат.

    Решение

    Для начала найдем координаты заданного векторного произведения i→-j→×i→+j→+k→ в данной прямоугольной системе координат.

    Известно, что векторы i→-j→ и i→+j→+k→ имеют координаты (1; -1; 0)  и (1; 1; 1) соответственно. Найдем длину векторного произведения при помощи определителя матрицы, тогда имеем i→-j→×i→+j→+k→=i→j→k→1-10111=-i→-j→+2k→.

    Следовательно, векторное произведение i→-j→×i→+j→+k→ имеет координаты (-1; -1; 2) в заданной системе координат.

    Длину векторного произведения найдем по формуле (см. в разделе нахождение длины вектора): i→-j→×i→+j→+k→=-12+-12+22=6.

    Ответ: i→-j→×i→+j→+k→=6..

    Пример 4

    В прямоугольной декартовой системе координат заданы координаты трех точек A(1,0,1), B(0,2,3), C(1,4,2) . Найдите какой-нибудь вектор, перпендикулярный AB→ и AC→ одновременно.

    Решение

    Векторы  AB→ и AC→ имеют следующие координаты (-1; 2; 2) и (0; 4; 1) соответственно. Найдя векторное произведение векторов AB→ и AC→, очевидно, что оно является перпендикулярным вектором по определению и к  AB→​​​​​ и к AC→, то есть, является решением нашей задачи. Найдем его AB→×AC→=i→j→k→-122041=-6i→+j→-4k→.

    Ответ: -6i→+j→-4k→. – один из перпендикулярных векторов.

    Задачи третьего типа ориентированы на использование свойств векторного произведения векторов. После применения которых, будем получать решение заданной задачи.

    Пример 5

    Векторы  a→ и b→ перпендикулярны и их длины равны соответственно 3 и 4. Найдите длину векторного произведения 3·a→-b→×a→-2·b→=3·a→×a→-2·b→+-b→×a→-2·b→==3·a→×a→+3·a→×-2·b→+-b→×a→+-b→×-2·b→.

    Решение

    По свойству дистрибутивности векторного произведения мы можем записать 3·a→-b→×a→-2·b→=3·a→×a→-2·b→+-b→×a→-2·b→==3·a→×a→+3·a→×-2·b→+-b→×a→+-b→×-2·b→

    По свойству ассоциативности вынесем числовые коэффициенты за знак векторных произведений в последнем выражении: 3·a→×a→+3·a→×-2·b→+-b→×a→+-b→×-2·b→==3·a→×a→+3·(-2)·a→×b→+(-1)·b→×a→+(-1)·(-2)·b→×b→==3·a→×a→-6·a→×b→-b→×a→+2·b→×b→

    Векторные произведения a→×a→ и b→×b→ равны 0, так как a→×a→=a→·a→·sin0=0 и b→×b→=b→·b→·sin0=0, тогда 3·a→×a→-6·a→×b→-b→×a→+2·b→×b→=-6·a→×b→-b→×a→..

    Из антикоммутативности векторного произведения следует -6·a→×b→-b→×a→=-6·a→×b→-(-1)·a→×b→=-5·a→×b→..

    Воспользовавшись свойствами векторного произведения, получаем равенство 3·a→-b→×a→-2·b→==-5·a→×b→.

    По условию векторы  a→ и b→ перпендикулярны, то есть угол между ними равен π2. Теперь остается лишь подставить найденные значения в соответствующие формулы: 3·a→-b→×a→-2·b→=-5·a→×b→==5·a→×b→=5·a→·b→·sin(a→,b→)=5·3·4·sinπ2=60.

    Ответ: 3·a→-b→×a→-2·b→=60.

    Геометрический смысл векторного произведения

    Длина векторного произведения векторов по орпеделению равна a→×b→=a→·b→·sin∠a→,b→. Так как уже известно (из школьного курса), что площадь треугольника равна половине произведения длин двух его сторон умноженное на синус угла между данными сторонами. Следовательно, длина векторного произведения равна площади параллелограмма – удвоенного треугольника, а именно произведению сторон в виде векторов  a→ и b→, отложенные от одной точки, на синус угла между ними sin∠a→,b→.

    Это и есть геометрический смысл векторного произведения.

    Геометрический смысл векторного произведения

    Физический смысл векторного произведения

    В механике, одном из разделов физики, благодаря векторному произведению можно определить момент силы относительно точки пространства.

    Определение 3

    Под моментом силы F→, приложенной к точке B, относительно точки A будем понимать следующее векторное произведение AB→×F→.

    Источник

    Векторное произведение в трёхмерном евклидовом пространстве

    Векторное произведение двух векторов в трёхмерном евклидовом пространстве — вектор, перпендикулярный обоим исходным векторам, длина которого численно равна площади параллелограмма, образованного исходными векторами, а выбор из двух направлений определяется так, чтобы тройка из по порядку стоящих в произведении векторов и получившегося вектора была правой[⇨]. Векторное произведение коллинеарных векторов (в частности, если хотя бы один из множителей — нулевой вектор) считается равным нулевому вектору.

    Таким образом, для определения векторного произведения двух векторов необходимо задать ориентацию пространства, то есть сказать, какая тройка векторов является правой, а какая — левой. При этом не является обязательным задание в рассматриваемом пространстве какой-либо системы координат. В частности, при заданной ориентации пространства результат векторного произведения не зависит от того, является ли рассматриваемая система координат правой или левой. При этом формулы выражения координат векторного произведения через координаты исходных векторов в правой и левой ортонормированной прямоугольной системе координат отличаются знаком.

    Векторное произведение не обладает свойствами коммутативности и ассоциативности. Оно является антикоммутативным и, в отличие от скалярного произведения векторов, результат является опять вектором.

    Полезно для «измерения» перпендикулярности векторов — модуль векторного произведения двух векторов равен произведению их модулей, если они перпендикулярны, и уменьшается до нуля, если векторы коллинеарны.

    Широко используется во многих технических и физических приложениях. Например, момент импульса и сила Лоренца математически записываются в виде векторного произведения.

    История[править | править код]

    Векторное произведение было введено У. Гамильтоном в 1846 году[1] одновременно со скалярным произведением в связи с кватернионами — соответственно, как векторная и скалярная часть произведения двух кватернионов, скалярная часть которых равна нулю[2].

    Определение[править | править код]

    Векторным произведением вектора {vec {a}} на вектор {vec {b}} в трёхмерном евклидовом пространстве называется вектор {vec {c}}, удовлетворяющий следующим требованиям:

    Обозначения:

    {displaystyle {vec {c}}=[{vec {a}}{vec {b}}]=[{vec {a}},;{vec {b}}]={vec {a}}times {vec {b}}={vec {a}}wedge {vec {b}}.}

    Замечания[править | править код]

    В качестве определения можно использовать описанное далее выражение векторного произведения в координатах в правой (или левой) прямоугольной системе координат.

    Также в качестве исходного определения может быть взят набор алгебраических свойств векторного произведения.

    Правые и левые тройки векторов в трёхмерном евклидовом пространстве[править | править код]

    Рассмотрим упорядоченную тройку некомпланарных (линейно независимых) векторов {vec {a}},{vec {b}},{vec {c}} в трёхмерном евклидовом пространстве. В ориентированном пространстве такая тройка векторов будет либо «правой», либо «левой».

    Геометрическое определение[править | править код]

    Совместим начала векторов в одной точке. Упорядоченная тройка некомпланарных векторов {vec {a}},{vec {b}},{vec {c}} в трёхмерном пространстве называется правой, если с конца вектора {vec {c}} кратчайший поворот от вектора {vec {a}} к вектору {vec {b}} виден наблюдателю против часовой стрелки. И наоборот, если кратчайший поворот виден по часовой стрелке, то тройка называется левой.

    Определение с помощью руки[править | править код]

    Другое определение связано с правой рукой человека, откуда и берётся название. На рисунке тройка векторов {vec {a}}, {vec {b}}, {displaystyle {vec {a}}times {vec {b}}} является правой.

    Алгебраическое определение[править | править код]

    Существует также аналитический способ определения правой и левой тройки векторов, который требует задания в рассматриваемом пространстве правой или левой системы координат, причём не обязательно прямоугольной и ортонормированной.

    Нужно составить матрицу, первой строкой которой будут координаты вектора {vec {a}}, второй — вектора {vec {b}}, третьей — вектора {vec {c}}. Затем, в зависимости от знака определителя этой матрицы, можно сделать следующие выводы:

    • Если определитель положителен, то тройка векторов имеет ту же ориентацию, что и система координат.
    • Если определитель отрицателен, то тройка векторов имеет ориентацию, противоположную ориентации системы координат.
    • Если определитель равен нулю, то векторы компланарны (линейно зависимы).

    Замечания[править | править код]

    Определения «правой» и «левой» тройки векторов зависят от ориентации пространства, но не требуют задания в рассматриваемом пространстве какой-либо системы координат, как и не требует этого определение самого векторного произведения. При этом формулы выражения координат векторного произведения через координаты исходных векторов будут отличаться знаком в правой и левой прямоугольной системе координат.

    Все правые между собой (и левые между собой) тройки векторов называются одинаково ориентированными.

    При заданной ориентации пространства система координат называется правой (левой), если тройка из векторов с координатами {displaystyle (1,0,0)}, {displaystyle (0,1,0)}, {displaystyle (0,0,1)} является правой (левой).

    Геометрическое определение и определение с помощью руки сами задают ориентацию пространства. Алгебраическое определение задаёт способ разбить тройки некомпланарных векторов на два класса одинаково ориентированных векторов, но оно не задаёт ориентацию пространства, а использует уже заданную — ту, на основании которой данная система координат считается правой или левой. При этом, если ориентация системы координат неизвестна, можно сравнивать знак определителя со знаком определителя другой тройки некомпланарных векторов, ориентация которой известна — если знаки совпадают, то тройки одинаково ориентированы, если знаки противоположны — тройки ориентированы противоположно.

    Свойства[править | править код]

    Геометрические свойства векторного произведения[править | править код]

    Рисунок 1: Площадь параллелограмма равна модулю векторного произведения

    Рисунок 2: Объём параллелепипеда при использовании векторного и скалярного произведения векторов; пунктирные линии показывают проекции вектора c на

    a × b и вектора

    b × c на

    a, первым шагом является нахождение векторного произведения (модуль которого равен площади одной из сторон), а вторым — нахождение скалярного произведения (которое равно объёму параллелепипеда)

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]=Scdot {vec {e}}.}
    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {c}}]=mathrm {Pr} _{vec {e}}{vec {a}}cdot |{vec {c}}|cdot {vec {g}}.}
    • При использовании векторного и скалярного произведений можно высчитать объём параллелепипеда, построенного на приведённых к общему началу векторах a, b и c (см. Рисунок 2). Такое произведение трех векторов называется смешанным.
    {displaystyle V=|langle {vec {a}},;[{vec {b}},;{vec {c}}]rangle |.}

    На рисунке показано, что этот объём может быть найден двумя способами: геометрический результат сохраняется даже при замене «скалярного» и «векторного» произведений местами:

    {displaystyle V=langle [{vec {a}},;{vec {b}}],;{vec {c}}rangle =langle {vec {a}},;[{vec {b}},;{vec {c}}]rangle .}

    Величина векторного произведения зависит от синуса угла между изначальными векторами, поэтому векторное произведение может восприниматься как степень «перпендикулярности» векторов так же, как и скалярное произведение может рассматриваться как степень «параллельности». Векторное произведение двух единичных векторов равно 1 (единичному вектору), если изначальные векторы перпендикулярны, и равно 0 (нулевому вектору), если векторы параллельны либо антипараллельны.

    Алгебраические свойства векторного произведения[править | править код]

    Далее {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]} и {displaystyle langle {vec {a}},;{vec {b}}rangle } обозначают соответственно векторное и скалярное произведение векторов {vec {a}} и {vec {b}}.

    Представление Описание
    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]=-[{vec {b}},{vec {a}}]} Антикоммутативность.
    {displaystyle [alpha cdot {vec {a}},;{vec {b}}]=[{vec {a}},;alpha cdot {vec {b}}]=alpha cdot [{vec {a}},;{vec {b}}]} Ассоциативность умножения на скаляр.
    {displaystyle [{vec {a}}+{vec {b}},;{vec {c}}]=[{vec {a}},;{vec {c}}]+[{vec {b}},;{vec {c}}]} Дистрибутивность по сложению.
    {displaystyle [[{vec {a}},;{vec {b}}],;{vec {c}}]+[[{vec {b}},;{vec {c}}],;{vec {a}}]+[[{vec {c}},{vec {a}}],;{vec {b}}]={vec {0}}} Тождество Якоби.
    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {a}}]={vec {0}}}
    {displaystyle [{vec {a}},;[{vec {b}},;{vec {c}}]]={vec {b}}cdot langle {vec {a}},;{vec {c}}rangle -{vec {c}}cdot langle {vec {a}},;{vec {b}}rangle } Формула «БАЦ минус ЦАБ», тождество Лагранжа.
    {displaystyle |[{vec {a}},,{vec {b}}]|^{2}+langle {vec {a}},,{vec {b}}rangle ^{2}=|{vec {a}}|^{2}cdot |{vec {b}}|^{2}} Частный случай мультипликативности нормы кватернионов.
    {displaystyle langle [{vec {a}},,{vec {b}}],,{vec {c}}rangle =langle {vec {a}},,[{vec {b}},,{vec {c}}]rangle } Значение этого выражения называют смешанным произведением векторов a, b, c.

    Выражение в координатах[править | править код]

    В правом ортонормированном базисе[править | править код]

    Если два вектора vec a и {displaystyle {vec {b}}} представлены в правом ортонормированном базисе координатами

    {displaystyle {vec {a}}=(a_{x},;a_{y},;a_{z}),}
    {displaystyle {vec {b}}=(b_{x},;b_{y},;b_{z}),}

    то их векторное произведение имеет координаты

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]=(a_{y}b_{z}-a_{z}b_{y},;a_{z}b_{x}-a_{x}b_{z},;a_{x}b_{y}-a_{y}b_{x}).}

    Для запоминания этой формулы удобно использовать мнемонический определитель:

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]={begin{vmatrix}mathbf {i} &mathbf {j} &mathbf {k} \a_{x}&a_{y}&a_{z}\b_{x}&b_{y}&b_{z}end{vmatrix}},}

    где {displaystyle mathbf {i} =(1,0,0)}, {displaystyle mathbf {j} =(0,1,0)}, {displaystyle mathbf {k} =(0,0,1)}, или

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]_{i}=sum _{j,k=1}^{3}varepsilon _{ijk}a_{j}b_{k},}

    где varepsilon _{{ijk}} — символ Леви-Чивиты.

    В левом ортонормированном базисе[править | править код]

    Если базис левый ортонормированный, то векторное произведение в координатах имеет вид

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]=(a_{z}b_{y}-a_{y}b_{z},;a_{x}b_{z}-a_{z}b_{x},;a_{y}b_{x}-a_{x}b_{y}).}

    Для запоминания, аналогично:

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]=-{begin{vmatrix}mathbf {i} &mathbf {j} &mathbf {k} \a_{x}&a_{y}&a_{z}\b_{x}&b_{y}&b_{z}end{vmatrix}},}

    или

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]_{i}=-sum _{j,k=1}^{3}varepsilon _{ijk}cdot a_{j}cdot b_{k}.}

    Формулы для левой системы координат можно получить из формул правой системы координат, записав те же векторы vec a и {displaystyle {vec {b}}} во вспомогательной правой системе координат ({mathbf i}'={mathbf i},{mathbf j}'={mathbf j},{mathbf k}'=-{mathbf k}):

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]={begin{vmatrix}mathbf {i} '&mathbf {j} '&mathbf {k} '\a'_{x}&a'_{y}&a'_{z}\b'_{x}&b'_{y}&b'_{z}end{vmatrix}}={begin{vmatrix}mathbf {i} &mathbf {j} &-mathbf {k} \a_{x}&a_{y}&-a_{z}\b_{x}&b_{y}&-b_{z}end{vmatrix}}=-{begin{vmatrix}mathbf {i} &mathbf {j} &mathbf {k} \a_{x}&a_{y}&a_{z}\b_{x}&b_{y}&b_{z}end{vmatrix}}.}

    В произвольной аффинной системе координат[править | править код]

    Векторное произведение в произвольной аффинной системе координат {displaystyle O{vec {e}}_{1}{vec {e}}_{2}{vec {e}}_{3}} имеет координаты

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]={begin{vmatrix}[{vec {e}}_{2},;{vec {e}}_{3}]&[{vec {e}}_{3},;{vec {e}}_{1}]&[{vec {e}}_{1},;{vec {e}}_{2}]\a_{x}&a_{y}&a_{z}\b_{x}&b_{y}&b_{z}end{vmatrix}}.}

    Вариации и обобщения[править | править код]

    Кватернионы[править | править код]

    Координаты векторного произведения в правом ортонормированном базисе можно также записать в кватернионной форме, поэтому буквы {mathbf i}, {mathbf j}, {mathbf k} — стандартные обозначения для ортов в mathbb {R} ^{3}: они рассматриваются как воображаемые кватернионы.

    Заметим, что соотношения через векторное произведение между {mathbf i}, {mathbf j} и {mathbf k} соответствуют правилам умножения для кватернионов i, j и k. Если представить вектор (a_{1},;a_{2},;a_{3}) как кватернион a_{1}i+a_{2}j+a_{3}k, то векторное произведение двух векторов получается взятием векторной части от произведения соответствующих им кватернионов. Скалярное произведение этих векторов противоположно скалярной части произведения этих кватернионов.

    Преобразование к матричной форме[править | править код]

    Векторное произведение двух векторов в координатах в правом ортонормированном базисе можно записать как произведение кососимметрической матрицы и вектора:

    {displaystyle [{vec {a}},;{vec {b}}]=[{vec {a}}]_{times }{vec {b}}={begin{bmatrix},0&!-a_{3}&,,a_{2}\,,a_{3}&0&!-a_{1}\-a_{2}&,,a_{1}&,0end{bmatrix}}{begin{bmatrix}b_{1}\b_{2}\b_{3}end{bmatrix}},}
    {displaystyle [{vec {b}},;{vec {a}}]={vec {b}}^{T}[{vec {a}}]_{times }={begin{bmatrix}b_{1}&b_{2}&b_{3}end{bmatrix}}{begin{bmatrix},0&!-a_{3}&,,,a_{2}\,,,a_{3}&,0&!-a_{1}\-a_{2}&,,a_{1}&,0end{bmatrix}},}

    где

    {displaystyle [{vec {a}}]_{times }{stackrel {rm {def}}{=}}{begin{bmatrix},,0&!-a_{3}&,,,a_{2}\,,,a_{3}&0&!-a_{1}\!-a_{2}&,,a_{1}&,,0end{bmatrix}}.}

    Пусть {vec {a}} равен векторному произведению:

    {displaystyle {vec {a}}=[{vec {c}},;{vec {d}}],}

    тогда

    {displaystyle [{vec {a}}]_{times }=({vec {c}}{vec {d}}^{T})^{T}-{vec {c}}{vec {d}}^{T}.}

    Такая форма записи позволяет обобщить векторное произведение на высшие размерности, представляя псевдовекторы (угловая скорость, индукция и т. п.) как такие кососимметричные матрицы. Ясно, что такие физические величины будут иметь n(n-1)/2 независимых компонент в n-мерном пространстве. В трёхмерном пространстве получаются три независимые компоненты, поэтому такие величины можно представлять как векторы этого пространства.

    С такой формой записи также зачастую проще работать (например, в эпиполярной геометрии[en]).

    Из общих свойств векторного произведения следует, что

    {displaystyle [{vec {a}}]_{times },{vec {a}}={vec {0}}} и {displaystyle {vec {a}}^{T},[{vec {a}}]_{times }={vec {0}},}

    а так как {displaystyle [{vec {a}}]_{times }} кососимметрична, то

    {displaystyle {vec {b}}^{T},[{vec {a}}]_{times },{vec {b}}=0.}

    В такой форме записи легко доказывается тождество Лагранжа (правило «БАЦ минус ЦАБ»).

    Распространение на матрицы[править | править код]

    В трёхмерном случае можно определить в координатах в произвольном базисе векторное произведение матриц и произведение матрицы на вектор. Это делает очевидным указанный выше изоморфизм и позволяет упростить многие выкладки. Представим матрицу A как столбец векторов, тогда

    {displaystyle {begin{bmatrix}{vec {a}}_{1}\{vec {a}}_{2}\{vec {a}}_{3}end{bmatrix}}times {vec {b}}={begin{bmatrix}{vec {a}}_{1}times {vec {b}}\{vec {a}}_{2}times {vec {b}}\{vec {a}}_{3}times {vec {b}}end{bmatrix}},}
    {displaystyle {begin{bmatrix}{vec {a}}_{1}\{vec {a}}_{2}\{vec {a}}_{3}end{bmatrix}}cdot {vec {b}}={begin{bmatrix}{vec {a}}_{1}cdot {vec {b}}\{vec {a}}_{2}cdot {vec {b}}\{vec {a}}_{3}cdot {vec {b}}end{bmatrix}}.}

    Умножение матрицы на вектор слева определяется аналогично, если представить A как строку векторов. Транспонирование матрицы, соответственно, переводит строку векторов в столбец векторов, и наоборот.
    Легко обобщить многие соотношения для векторов на соотношения для векторов и матриц, например (A — матрица, {vec x}, {displaystyle {vec {y}}} — векторы):

    {displaystyle Acdot ({vec {x}}times {vec {y}})=(Atimes {vec {x}})cdot {vec {y}},}
    {displaystyle Atimes ({vec {x}}times {vec {y}})={vec {x}}(Acdot {vec {y}})-{vec {y}}(Acdot {vec {x}}).}

    После этого можно изменить форму записи для векторного произведения:

    {displaystyle {vec {x}}times {vec {y}}=Ecdot ({vec {x}}times {vec {y}})=(Etimes {vec {x}})cdot {vec {y}},}

    E — единичная матрица. Отсюда очевидны существование и вид матрицы, соответствующей векторному умножению на вектор слева. Аналогично можно получить выражение для матрицы умножения на вектор справа. Распространяя операции над векторами на матрицы покомпонентно, представляя их как «векторы из векторов», стандартные соотношения для векторов легко обобщаются на матрицы. Например, теорема Стокса в mathbb {R} ^{3} примет вид:

    int limits _{{Sigma }}operatorname {rot},{mathbf {A^{T}}},{mathbf {dSigma }}=int limits _{{partial Sigma }}{mathbf {A}}cdot ,d{mathbf {r}},

    где ротор матрицы A вычисляется как векторное произведение матрицы A на оператор Гамильтона слева (базис считается правым ортонормированным). В этих обозначениях очень легко доказать, например, следующие формы теоремы Стокса:

    int limits _{{Sigma }}operatorname {grad},utimes ,{mathbf {dSigma }}=int limits _{{partial Sigma }}u,d{mathbf {r}},
    int limits _{{Sigma }}left[{mathbf {dSigma }};left[nabla ;{mathbf a}right]right]=int limits _{{partial Sigma }}{mathbf a}times d{mathbf {r}}.

    Размерности, не равные трём[править | править код]

    Пусть n — размерность пространства.

    Векторное произведение, обладающее всеми свойствами обычного трёхмерного векторного произведения, то есть бинарное билинейное антисимметричное невырожденное отображение {mathbb {R}}^{n}times {mathbb {R}}^{n}to {mathbb {R}}^{n}, можно ввести только для размерностей 3 и 7.

    Однако есть простое обобщение на остальные натуральные размерности, начиная с 3, а если нужно — и на размерность 2 (последнее, правда, сравнительно специфическим образом). Тогда это обобщение, в отличие от невозможного, описанного чуть выше, вводится не для пары векторов, а лишь для набора (n-1) векторов-сомножителей. Вполне аналогично смешанному произведению, естественно обобщаемому в n-мерном пространстве на операцию с n сомножителями. Используя символ Леви-Чивиты varepsilon _{{i_{1}i_{2}i_{3}ldots i_{n}}} с n индексами, можно явно записать такое (n-1)-валентное векторное произведение как

    {displaystyle P_{i}(mathbf {a} ,mathbf {b} ,mathbf {c} ,dotsc )=sum _{j,k,m,dotsc =1}^{n}varepsilon _{ijkldots }a_{j}b_{k}c_{m}ldots =det left({begin{pmatrix}mathbf {e_{1}} \vdots \mathbf {e_{n}} end{pmatrix}},mathbf {a} ,mathbf {b} ,mathbf {c} ,ldots right)cdot mathbf {e_{i}} ,}

    {displaystyle mathbf {P} (mathbf {a_{1}} ,mathbf {a_{2}} ,ldots ,mathbf {a_{n-1}} )=det left({begin{pmatrix}mathbf {e_{1}} \vdots \mathbf {e_{n}} end{pmatrix}},mathbf {a_{1}} ,mathbf {a_{2}} ,ldots ,mathbf {a_{n-1}} right)={begin{vmatrix}mathbf {e_{1}} &mathbf {e_{2}} &cdots &mathbf {e_{n}} \a_{1_{1}}&a_{1_{2}}&cdots &a_{1_{n}}\a_{2_{1}}&a_{2_{2}}&cdots &a_{2_{n}}\vdots &vdots &ddots &vdots \a_{n-1_{1}}&a_{n-1_{2}}&cdots &a_{n-1_{n}}end{vmatrix}}.}

    Такое обобщение дает гиперплощадь размерности n-1.

    Если нужно ввести операцию именно для двух сомножителей, имеющую геометрический смысл, предельно близкий к смыслу векторного произведения (то есть представляющую ориентированную площадь), то результат уже не будет вектором, так как при nneq 3 не найдется единственной, однозначно определённой нормали к двумерной плоскости, натянутой на множители. Можно ввести бивектор, компоненты которого равны проекциям ориентированной площади параллелограмма, натянутого на пару векторов, на координатные плоскости:

    P_{{ij}}({mathbf {a,b}})=a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i}.

    Эта конструкция называется внешним произведением.

    Для двумерного случая операция

    P({mathbf {a,b}})=a_{1}b_{2}-a_{2}b_{1}.

    называется псевдоскалярным произведением, так как получающееся пространство одномерно и результат есть псевдоскаляр. (Двухиндексное внешнее произведение, описанное выше, можно ввести и для двумерного пространства, однако оно, очевидно, достаточно тривиально связано с псевдоскалярным произведением, а именно внешнее произведение в этом случае представляется матрицей, на диагонали которой нули, а оставшиеся два недиагональных элемента равны псевдоскалярному произведению и минус псевдоскалярному произведению.)

    Алгебра Ли векторов[править | править код]

    Векторное произведение вводит на {mathbb {R}}^{{3}} структуру алгебры Ли (поскольку оно удовлетворяет обеим аксиомам — антисимметричности и тождеству Якоби). Эта структура соответствует отождествлению mathbb {R} ^{3} с касательной алгеброй Ли so(3) к группе Ли SO(3) ортогональных линейных преобразований трёхмерного пространства.

    См. также[править | править код]

    Произведения векторов

    Другое

    • Ротор
    • Дивергенция

    Примечания[править | править код]

    1. ↑ Crowe M. J. A History of Vector Analysis – The Evolution of the Idea of a Vectorial System. — Courier Dover Publications, 1994. — С. 32. — 270 с. — ISBN 0486679101.
    2. ↑ Hamilton W. R. On Quaternions; or on a New System of Imaginaries in Algebra // Philosophical Magazine. 3rd Series. — London, 1846. — Т. 29. — С. 30.

    Литература[править | править код]

      1. Кочин Н.Е. Векторное исчисление и начала тензорного исчисления. АН СССР: Изд-во «НАУКА», М. 1965.

    Ссылки[править | править код]

    • Многомерное векторное произведение Архивная копия от 5 сентября 2015 на Wayback Machine
    • Векторное произведение и его свойства. Примеры решения задач Архивная копия от 23 февраля 2011 на Wayback Machine
    • В. И. Гервидс. Правое и левое вращение. НИЯУ МИФИ (10 марта 2011). — Физические демонстрации. Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 23 декабря 2015 года.
    Источник

    Содержание:

    • Формула
    • Примеры вычисления векторного произведения векторов

    Формула

    Для того чтобы найти векторное произведение
    $[bar{a}, bar{b}]$ двух векторов, заданных своими координатами
    $bar{a}=left(a_{x} ; a_{y} ; a_{z}right)$ и
    $bar{b}=left(b_{x} ; b_{y} ; b_{z}right)$ соответственно, необходимо
    вычислить следующий определитель

    $$[bar{a}, bar{b}]=left|begin{array}{ccc}bar{i} & bar{j} & bar{k} \ a_{x} & a_{y} & a_{z} \ b_{x} & b_{y} & b_{z}end{array}right|$$

    Обычно такой определитель вычисляют разложением по первой строке. Отметим также, что результатом векторного произведения является вектор.

    Примеры вычисления векторного произведения векторов

    Пример

    Задание. Найти векторное произведение векторов
    $bar{a}=(1 ; 0 ; 0)$ и $bar{b}=(0 ; 1 ; 0)$

    Решение. Для вычисления векторного произведения заданных векторов воспользуемся формулой

    $$[bar{a}, bar{b}]=left|begin{array}{ccc}bar{i} & bar{j} & bar{k} \ a_{x} & a_{y} & a_{z} \ b_{x} & b_{y} & b_{z}end{array}right|$$

    Подставляя координаты заданных векторов, получим:

    $$[bar{a}, bar{b}]=left|begin{array}{lll}bar{i} & bar{j} & bar{k} \ 1 & 0 & 0 \ 0 & 1 & 0end{array}right|$$

    Раскладываем определитель по первой строке:

    $$[bar{a}, bar{b}]=left|begin{array}{ccc}bar{i} & bar{j} & bar{k} \ 1 & 0 & 0 \ 0 & 1 & 0end{array}right|=$$
    $$=bar{i} cdotleft|begin{array}{cc}0 & 0 \ 1 & 0end{array}right|-bar{j} cdotleft|begin{array}{cc}1 & 0 \ 0 & 0end{array}right|+bar{k} cdotleft|begin{array}{cc}1 & 0 \ 0 & 1end{array}right|=$$
    $$=0 cdot bar{i}-0 cdot bar{j}+1 cdot k$$

    Первые два определителя равны нулю, так как они содержат нулевой столбец, а третий определитель вычисляем
    как определитель второго порядка: от произведения элементов главной диагонали отнимаем произведение элементов побочной.

    Итак, координаты искомого вектора равны коэффициентам при ортах, то есть

    $$[bar{a}, bar{b}]=(0 ; 0 ; 1)$$

    Ответ. $[bar{a}, bar{b}]=(0 ; 0 ; 1)$

    236

    проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

    Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

    Пример

    Задание. Даны векторы
    $bar{a}=(5 ; 3 ;-4)$ и $bar{b}=(6 ; 7 ;-8)$ . Найти координаты векторного произведения
    $[bar{a}, bar{b}]$

    Решение. Координаты векторного произведения
    $[bar{a}, bar{b}]$ вычисляются по формуле

    $$[bar{a}, bar{b}]=left|begin{array}{ccc}bar{i} & bar{j} & bar{k} \ a_{x} & a_{y} & a_{z} \ b_{x} & b_{y} & b_{z}end{array}right|$$

    Подставляя координаты заданных векторов, получим:

    $$[bar{a}, bar{b}]=left|begin{array}{ccc}bar{i} & bar{j} & bar{k} \ 5 & 3 & -4 \ 6 & 7 & -8end{array}right|$$

    Раскладываем полученный определитель по первой строке:

    $$=bar{i} cdotleft|begin{array}{cc}3 & -4 \ 7 & -8end{array}right|-bar{j} cdotleft|begin{array}{cc}5 & -4 \ 6 & -8end{array}right|+bar{k} cdotleft|begin{array}{cc}5 & 3 \ 6 & 7end{array}right|=$$
    $$=[3 cdot(-8)-7 cdot(-4)] cdot bar{i}-[5 cdot(-8)-6 cdot(-4)] cdot bar{j}+$$
    $$+[5 cdot 7-6 cdot 3] cdot bar{k}=(-24+28) bar{i}-(-40+24) bar{j}+(35-18) bar{k}=$$
    $$=4 cdot bar{i}+16 cdot bar{j}+17 cdot bar{k}$$

    Тогда

    $$[bar{a}, bar{b}]=(4 ; 16 ; 17)$$

    Ответ. $[bar{a}, bar{b}]=(4 ; 16 ; 17)$

    Читать дальше: как найти смешанное произведение векторов.

    Источник

    Мы будем
    использовать таблицу векторного
    произведения векторов i,j иk:

    если
    направление кратчайшего пути от первого
    вектора к второму совпадает с направлением
    стрелки, то произведение равно третьему
    вектору, если не совпадает — третий
    вектор берется со знаком «минус».

    Пусть
    заданы два вектора а=ахi +ayj +azk и b =bxi +byj
    +bzk . Найдем векторное произведение этих
    векторов, перемножая их как многочлены
    (согласно свойств векторного произведения):Полученную формулу можно записать еще
    короче:так как правая часть равенства (7.1)
    соответствует разложению определителя
    третьего порядка по элементам первой
    строки.Равенство (7.2) легко запоминается.

    7.4. Некоторые
    приложения векторного произведения

    Установление
    коллинеарности векторов.
    Нахождение площади параллелограмма и
    треугольника

    Согласно
    определению векторного произведения
    векторов а и b |а хb | = |а| * |b |sing , т. е. S пар
    = |а х b |. И, значит, DS =1/2|а х b |.

    Определение
    момента силы относительно точки

    Пусть в точке
    А приложена сила F =АВ и пусть О — некоторая
    точка пространства
    Из физики известно, что моментом си лы
    F относительно точки О называется вектор
    М, который проходит через точку О и:

    1) перпендикулярен
    плоскости, проходящей через точки О, А,
    В;

    2) численно
    равен произведению силы на плечо
    3) образует правую тройку с векторами
    ОА и A В.

    Стало
    быть, М=ОА х F .
    Нахождение линейной скорости вращения

    Скорость v точки
    М твердого тела, вращающегося с угловой
    скоростью w вокруг
    неподвижной оси, определяется формулой
    Эйлера v =w хr ,
    где r =ОМ,
    где О—некоторая неподвижная точка оси
    (см. рис. 21).

    Угол между векторами

    Из
    определения скалярного произведения
    двух векторов следует, что
    Если векторы  и   заданы
    координатами и ,
    то формула (1.6.3.1) запишется в виде:

    Площадь
    параллелограмма,построенных
    на векторах

    Задачи на
    измерение длин отрезков, расстояний
    между точками, площадей поверхностей
    и объемов тел относятся к важному классу
    проблем, которые принято называть
    метрическими. В предыдущем разделе мы
    познакомились с тем, как использовать
    векторную алгебру для вычисления длин
    отрезков и расстояний между точками.
    Теперь мы собираемся найти способы
    вычисления площадей и объемов. Векторная
    алгебра позволяет ставить и решать
    подобные задачи только для достаточно
    простых случаев. Для вычисления площадей
    произвольных поверхностей и объемов
    произвольных тел требуются методы
    анализа. Но методы анализа в свою очередь
    существенным образом опираются на те
    результаты, которые дает векторная
    алгебра.

    Для решения
    поставленной задачи, мы избрали достаточно
    долгий и непростой путь, подсказанный
    Гильбертом Стренгом [19], связанный с
    многочисленными геометрическими
    преобразованиями и кропотливыми
    алгебраическими вычислениями. Мы избрали
    этот путь несмотря на то, что существуют
    другие подходы, которые быстрее приводят
    к цели потому, что он показался нам
    прямым и естественным. Прямой путь в
    науке не всегда оказывается самым
    простым. Люди искушенные знают об этом
    и предпочитают пути окольные, но если
    не попытаться пройти прямиком, то можно
    так и остаться в неведении относительно
    некоторых тонкостей теории.

    На избранном
    нами пути естественным образом появляются
    такие понятия как ориентация пространства,
    определитель, векторное и смешанное
    произведения. Особенно наглядно, как
    под микроскопом, проявляется геометрический
    смысл определителя и его свойств.
    Традиционно понятие определителя
    вводится в теории систем линейных
    уравнений, но именно для решения таких
    систем определитель почти бесполезен.
    Геометрический же смысл определителя
    существенен для векторной и тензорной
    алгебры.

    А теперь
    запасемся терпением и начнем с самых
    простых и понятных случаев.

    1. Векторы
    ориентированы вдоль координатных осей
    декартовой системы координат.

    Пусть
    вектор a
    направлен по оси x, а вектор b
    вдоль оси y. На рис. 21 показаны четыре
    различных варианта расположения векторов
    по отношению к осям координат.

    Векторы
    a
    и b
    в координатной форме:Где a и b означают модуль соответствующего
    вектора, а – знак координаты вектора.

    Поскольку
    векторы ортогональны, то параллелограммы,
    построенные на них, являются
    прямоугольниками. Их площади равны
    просто произведению их сторон. Выразим
    эти произведения через координаты
    векторов для всех четырех случаев.

    Все четыре
    формулы для вычисления площади одинаковы
    за исключением знака. Можно было бы
    просто закрыть на это глаза и записать,
    что во всех случаях. Однако более
    продуктивной оказывается другая
    возможность: придать знаку какой-то
    смысл. Посмотрим внимательно на рис.
    21. В тех случаях, когда, поворот вектора к вектору осуществляется
    по часовой стрелке. В тех же случаях,
    когда мы вынуждены использовать в
    формуле знак минус, поворот вектора к
    вектору осуществляется против часовой
    стрелки. Это наблюдение позволяет
    связать знак в выражениях для площади
    с ориентацией плоскости.

    Площадь
    прямоугольника, построенного на векторах
    aиb, со
    знаком плюс или минус будем считать
    ориентированной площадью, при этом знак
    будем связывать с ориентацией, задаваемой
    векторами. Для ориентированной площади
    мы можем записать единую формулу для
    всех рассмотренных четырех случаев:. Знак “векторной” черты над буквой
    S вводится для того, чтобы отличить
    обычную площадь, которая всегда
    положительна, от ориентированной.

    При этом,
    очевидно, что те же самые векторы, взятые
    в другом порядке, определяют противоположную
    ориентацию, поэтому,
    . Просто площадь будем по-прежнему
    обозначать буквой S и, следовательно,
    .

    Теперь, когда
    казалось бы ценой расширения понятия
    площади, мы получили общее выражение,
    внимательный читатель скажет, что мы
    рассмотрели не все возможности.
    Действительно, кроме четырех вариантов
    расположения векторов, представленных
    на рис. 21, имеются еще четыре (рис. 22)
    Запишем снова векторы и в координатной
    форме:
    Выразим площади через координаты
    векторов.
    4. .
    Знаки
    в новых выражениях не поменялись, но, к
    сожалению, поменялась ориентация по
    отношению к предыдущим четырем случаям.
    Поэтому для ориентированной площади
    мы вынуждены записать:
    . Хотя надежда на гениальную простоту
    и не оправдалась, но, тем не менее, мы
    все-таки можем записать общее выражение
    для всех четырех случаев.

    То
    есть, ориентированная площадь
    прямоугольника, построенного на векторах,
    как на сторонах, равна определителю,
    составленному из координат векторов,
    как из столбцов.

    Мы
    полагаем, что с теорией определителей
    читатель знаком, поэтому, мы не
    останавливаемся подробно на этом
    понятии. Тем не менее, мы даем соответствующие
    определения, для того чтобы изменить
    акценты и показать, что к этому понятию
    можно прийти из чисто геометрических
    соображений.Итак,
    ,
    ,
    , – различные формы обозначения для
    одного и того же понятия – определителя,
    составленного из координат векторов,
    как из столбцов. Равенство
    может быть принято за его определение
    для двухмерного случая.

    Теперь
    мы можем считать, что для всех частных
    случаев расположения векторов относительно
    декартовой системы координат у нас есть
    общее выражение для ориентированной
    площади.

    2.
    Вектор b
    не параллелен оси x; вектор a/
    является произвольным вектором.

    Для
    того чтобы свести этот случай к уже
    известным, рассмотрим некоторые
    геометрические преобразования
    параллелограмма, построенного на
    векторах и (рис. .смешанные
    произведения векторов и его свойства

    Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

    • #
    • #
    • #
    • #
    • #
    • #
    • #
    • #
    • #
    • #
    • #
    Источник

    Добавить комментарий