Produsul vectorial al sumei vectorilor. Opera de artă vectorială

Unghiul dintre vectori

Pentru a introduce conceptul de produs vectorial al doi vectori, trebuie mai întâi să înțelegem un astfel de concept ca unghiul dintre acești vectori.

Să ne dăm doi vectori $\overline(α)$ și $\overline(β)$. Să luăm un punct $O$ din spațiu și să trasăm vectorii $\overline(α)=\overline(OA)$ și $\overline(β)=\overline(OB)$ din el, apoi unghiul $AOB$ se va numi unghiul dintre aceşti vectori (Fig. 1).

Notație: $∠(\overline(α),\overline(β))$

Conceptul de produs vectorial al vectorilor și formula de găsire

Definiția 1

Produsul vectorial al doi vectori este un vector perpendicular pe ambii vectori dați, iar lungimea lui va fi egală cu produsul lungimilor acestor vectori cu sinusul unghiului dintre acești vectori și, de asemenea, acest vector cu doi inițiali are aceeași orientare ca și sistemul de coordonate carteziene.

Notație: $\overline(α)х\overline(β)$.

Matematic arata cam asa:

1. $|\overline(α)х\overline(β)|=|\overline(α)||\overline(β)|sin⁡∠(\overline(α),\overline(β))$
2. $\overline(α)х\overline(β)⊥\overline(α)$, $\overline(α)х\overline(β)⊥\overline(β)$
3. $(\overline(α)х\overline(β),\overline(α),\overline(β))$ și $(\overline(i),\overline(j),\overline(k))$ sunt aceeași orientată (Fig. 2)

Evident, produsul exterior al vectorilor va fi egal cu vectorul zero în două cazuri:

1. Dacă lungimea unuia sau a ambilor vectori este zero.
2. Dacă unghiul dintre acești vectori este egal cu $180^\circ$ sau $0^\circ$ (deoarece în acest caz sinusul este zero).

Pentru a vedea clar cum se găsește produsul vectorial al vectorilor, luați în considerare următoarele exemple de soluții.

Exemplul 1

Aflați lungimea vectorului $\overline(δ)$, care va fi rezultatul produsului vectorial al vectorilor, cu coordonatele $\overline(α)=(0,4,0)$ și $\overline(β) =(3,0,0 )$.

Soluţie.

Să descriem acești vectori în spațiul de coordonate carteziene (Fig. 3):

Figura 3. Vectorii în spațiul de coordonate carteziene. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Vedem că acești vectori se află pe axele $Ox$ și, respectiv, $Oy$. Prin urmare, unghiul dintre ele va fi $90^\circ$. Să aflăm lungimile acestor vectori:

$|\overline(α)|=\sqrt(0+16+0)=4$

$|\overline(β)|=\sqrt(9+0+0)=3$

Apoi, prin Definiția 1, obținem modulul $|\overline(δ)|$

$|\overline(δ)|=|\overline(α)||\overline(β)|sin90^\circ=4\cdot 3\cdot 1=12$

Răspuns: $12$.

Calculul produsului încrucișat din coordonatele vectoriale

Definiția 1 implică imediat o metodă pentru găsirea produsului vectorial pentru doi vectori. Deoarece un vector, pe lângă valoarea sa, are și o direcție, este imposibil să-l găsim doar folosind o mărime scalară. Dar, pe lângă aceasta, există și o modalitate de a găsi vectorii pe care ni le-au dat folosind coordonatele.

Să ni se dea vectorii $\overline(α)$ și $\overline(β)$, care vor avea coordonatele $(α_1,α_2,α_3)$ și, respectiv, $(β_1,β_2,β_3)$. Apoi vectorul produsului încrucișat (și anume coordonatele sale) poate fi găsit folosind următoarea formulă:

$\overline(α)х\overline(β)=\begin(vmatrix)\overline(i)&\overline(j)&\overline(k)\\α_1&α_2&α_3\\β_1&β_2&β_3\end(vmatrix)$

În caz contrar, extinzând determinantul, obținem următoarele coordonate

$\overline(α)х\overline(β)=(α_2 β_3-α_3 β_2,α_3 β_1-α_1 β_3,α_1 β_2-α_2 β_1)$

Exemplul 2

Găsiți vectorul produsului vectorial al vectorilor coliniari $\overline(α)$ și $\overline(β)$ cu coordonatele $(0,3,3)$ și $(-1,2,6)$.

Soluţie.

Să folosim formula dată mai sus. Primim

$\overline(α)х\overline(β)=\begin(vmatrix)\overline(i)&\overline(j)&\overline(k)\\0&3&3\\-1&2&6\end(vmatrix)=(18 -6)\overline(i)-(0+3)\overline(j)+(0+3)\overline(k)=12\overline(i)-3\overline(j)+3\overline(k) )=(12,-3,3)$

Răspuns: $(12,-3,3)$.

Proprietăți ale produsului vectorial al vectorilor

Pentru trei vectori amestecați arbitrar $\overline(α)$, $\overline(β)$ și $\overline(γ)$, precum și $r∈R$, sunt valabile următoarele proprietăți:

Exemplul 3

Găsiți aria unui paralelogram ale cărui vârfuri au coordonatele $(3,0,0)$, $(0,0,0)$, $(0,8,0)$ și $(3,8,0) $.

Soluţie.

Mai întâi, să descriem acest paralelogram în spațiul de coordonate (Fig. 5):

Figura 5. Paralelogram în spațiul de coordonate. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Vedem că cele două laturi ale acestui paralelogram sunt construite folosind vectori coliniari cu coordonatele $\overline(α)=(3,0,0)$ și $\overline(β)=(0,8,0)$. Folosind a patra proprietate, obținem:

$S=|\overline(α)х\overline(β)|$

Să găsim vectorul $\overline(α)х\overline(β)$:

$\overline(α)х\overline(β)=\begin(vmatrix)\overline(i)&\overline(j)&\overline(k)\\3&0&0\\0&8&0\end(vmatrix)=0\overline (i)-0\overline(j)+24\overline(k)=(0,0,24)$

Prin urmare

$S=|\overline(α)х\overline(β)|=\sqrt(0+0+24^2)=24$

Engleză: Wikipedia face site-ul mai sigur. Utilizați un browser web vechi care nu se va putea conecta la Wikipedia în viitor. Actualizați-vă dispozitivul sau contactați administratorul IT.

中文: The以下提供更长，更具技术性的更新（仅英语）。

Spaniolă: Wikipedia face el sitio mai sigur. Utilizați un browser web care nu va fi capabil de a conecta Wikipedia în viitor. Actualice su dispozitiv sau contact a su administrator informático. Mai jos există o actualizare mai lungă și mai tehnică în engleză.

ﺎﻠﻋﺮﺒﻳﺓ: ويكيبيديا تسعى لتأمين الموقع أكثر من ذي قبل. أنت تستخدم متصفح وب قديم لن يتمكن من الاتصال بموقع ويكيبيديا في المستقبل. يرجى تحديث جهازك أو الاتصال بغداري تقنية المعلومات الخاص بك. يوجد تحديث فني أطول ومغرق في التقنية باللغة الإنجليزية تاليا.

franceză: Wikipédia va bientôt augmenter la securité de son site. Utilizați în prezent un navigator web ancien, care ne pourra plus se connecter à Wikipédia atunci când va fi făcut. Vă rugăm să puneți în ziua dvs. aparatul sau să vă contactați administratorul informatic al acestui fin. Des informații suplimentare plus techniques et en anglais sunt disponibile ci-dessous.

日本語: ????す るか情報は以下に英語で提供しています。

Limba germana: Wikipedia erhöht die Sicherheit der Webseite. Du benutzt einen alten Webbrowser, der in Zukunft nicht mehr auf Wikipedia zugreifen können wird. Bitte aktualisiere dein Gerät oder sprich deinen IT-Administrator an. Ausführlichere (und technisch detailliertere) Hinweise findest Du unten in englischer Sprache.

Italiano: Wikipedia va face mai mult pe site. Stay using an browser web che non will will in grado di connettersi a Wikipedia in viitor. Per favore, actualizați dispozitivul sau contactați administratorul informatic. Più in basso este disponibil un aggiornamento più dettagliato e tecnico în engleză.

maghiar: Biztonságosabb lesz a Wikipédia. A böngésző, amit használsz, nem lesz képes kapcsolódni a jövőben. Használj modernebb szoftvert vagy jelezd a problémát a rendszergazdádnak. Alább olvashatod a részletesebb magyarázatot (angolul).

Svenska: Wikipedia gör sidan mer säker. Du använder en äldre webbläsare som inte kommer att kunna läsa Wikipedia i framtiden. Uppdatera din enhet eller kontakta din IT-administratör. Det finns en längre och mer teknisk förklaring på engelska längre ned.

हिन्दी: विकिपीडिया साइट को और अधिक सुरक्षित बना रहा है। आप एक पुराने वेब ब्राउज़र का उपयोग कर रहे हैं जो भविष्य में विकिपीडिया से कनेक्ट नहीं हो पाएगा। कृपया अपना डिवाइस अपडेट करें या अपने आईटी व्यवस्थापक से संपर्क करें। नीचे अंग्रेजी में एक लंबा और अधिक तकनीकी अद्यतन है।

Înlăturăm suportul pentru versiunile de protocol TLS nesigure, în special TLSv1.0 și TLSv1.1, pe care software-ul browserului se bazează pentru a se conecta la site-urile noastre. Acest lucru este cauzat de obicei de browsere învechite sau de smartphone-uri Android mai vechi. Sau ar putea fi interferența din partea software-ului „Web Security” corporativ sau personal, care de fapt scade securitatea conexiunii.

Trebuie să vă actualizați browserul web sau să remediați în alt mod această problemă pentru a accesa site-urile noastre. Acest mesaj va rămâne până la 1 ianuarie 2020. După această dată, browserul dvs. nu va putea stabili o conexiune la serverele noastre.

În această lecție ne vom uita la alte două operații cu vectori: produs vectorial al vectorilorȘi produs mixt al vectorilor (link imediat pentru cei care au nevoie). E în regulă, uneori se întâmplă că pentru fericire deplină, în plus produsul scalar al vectorilor, sunt necesare din ce în ce mai multe. Aceasta este dependența de vectori. Poate părea că intrăm în jungla geometriei analitice. Este gresit. În această secțiune a matematicii superioare există în general puțin lemn, cu excepția poate suficient pentru Pinocchio. De fapt, materialul este foarte comun și simplu - cu greu mai complicat decât același produs scalar, vor fi chiar mai puține sarcini tipice. Principalul lucru în geometria analitică, așa cum mulți vor fi convinși sau s-au lăsat deja convinși, este A NU FACE GREȘELI LA CALCULE. Repetă ca o vrajă și vei fi fericit =)

Dacă vectorii strălucesc undeva departe, ca fulgerul la orizont, nu contează, începe cu lecția Vectori pentru manechine pentru a restabili sau redobândi cunoștințe de bază despre vectori. Cititorii mai pregătiți se pot familiariza cu informațiile în mod selectiv. Am încercat să colectez cea mai completă colecție de exemple care se găsesc adesea în lucrările practice

Ce te va face fericit imediat? Când eram mică, puteam jongla cu două și chiar trei mingi. A mers bine. Acum nu va trebui să jonglați deloc, pentru că vom lua în considerare numai vectori spațiali, iar vectorii plati cu două coordonate vor fi lăsați afară. De ce? Așa s-au născut aceste acțiuni - vectorul și produsul mixt al vectorilor sunt definite și funcționează în spațiul tridimensional. Deja este mai ușor!

Această operație, la fel ca și produsul scalar, implică doi vectori. Să fie acestea litere nepieritoare.

Acțiunea în sine notat cuîn felul următor: . Există și alte opțiuni, dar sunt obișnuit să notez produsul vectorial al vectorilor în acest fel, între paranteze pătrate cu o cruce.

Și imediat întrebare: dacă în produsul scalar al vectorilor sunt implicați doi vectori și aici se înmulțesc și doi vectori, atunci Care este diferența? Diferența evidentă este, în primul rând, în REZULTAT:

Rezultatul produsului scalar al vectorilor este NUMĂR:

Rezultatul produsului încrucișat al vectorilor este VECTOR: , adică înmulțim vectorii și obținem din nou un vector. Club închis. De fapt, de aici provine numele operațiunii. În diferite literaturi educaționale, desemnările pot varia, de asemenea, voi folosi litera.

Definiţia cross product

Mai întâi va fi o definiție cu o imagine, apoi comentarii.

Definiție: produs vectorial necoliniare vectori, luate în această ordine, numit VECTOR, lungime care este numeric egală cu aria paralelogramului, construit pe acești vectori; vector ortogonală la vectori, și este îndreptată astfel încât baza să aibă o orientare corectă:

Să descompunem definiția, sunt o mulțime de lucruri interesante aici!

Astfel, se pot evidenția următoarele puncte semnificative:

1) Vectorii originali, indicați prin săgeți roșii, prin definiție nu coliniare. Va fi potrivit să luăm în considerare cazul vectorilor coliniari puțin mai târziu.

2) Se iau vectori într-o ordine strict definită: – „a” se înmulțește cu „fi”, și nu „fi” cu „a”. Rezultatul înmulțirii vectoriale este VECTOR, care este indicat cu albastru. Dacă vectorii sunt înmulțiți în ordine inversă, obținem un vector egal ca lungime și opus ca direcție (culoarea zmeurului). Adică, egalitatea este adevărată .

3) Acum să ne familiarizăm cu semnificația geometrică a produsului vectorial. Acesta este un punct foarte important! LUNGIMEA vectorului albastru (și, prin urmare, a vectorului purpuriu) este numeric egală cu AREA paralelogramului construit pe vectori. În figură, acest paralelogram este umbrit în negru.

Notă : desenul este schematic și, desigur, lungimea nominală a produsului vectorial nu este egală cu aria paralelogramului.

Să ne amintim una dintre formulele geometrice: Aria unui paralelogram este egală cu produsul laturilor adiacente și sinusul unghiului dintre ele. Prin urmare, pe baza celor de mai sus, formula de calcul a LUNGIMIEI unui produs vectorial este valabilă:

Subliniez că formula este despre LUNGIMEA vectorului și nu despre vectorul în sine. Care este sensul practic? Și semnificația este că în problemele de geometrie analitică, aria unui paralelogram este adesea găsită prin conceptul de produs vectorial:

Să obținem a doua formulă importantă. Diagonala unui paralelogram (linie punctată roșie) îl împarte în două triunghiuri egale. Prin urmare, aria unui triunghi construit pe vectori (umbrire roșie) poate fi găsită folosind formula:

4) Un fapt la fel de important este că vectorul este ortogonal cu vectorii, adică . Desigur, vectorul direcționat opus (săgeata zmeură) este, de asemenea, ortogonal cu vectorii originali.

5) Vectorul este îndreptat astfel încât bază Are dreapta orientare. În lecția despre trecerea la o nouă bază Am vorbit suficient de detaliat despre orientarea planului, iar acum ne vom da seama ce este orientarea în spațiu. Îți voi explica pe degete mana dreapta. Combinați mental degetul arătător cu vector şi degetul mijlociu cu vector. Degetul inelar și degetul mic apăsați-l în palmă. Ca urmare deget mare– produsul vectorial va căuta în sus. Aceasta este o bază orientată spre dreapta (este cea din figură). Acum schimbați vectorii ( degetele arătător și mijlociu) în unele locuri, ca rezultat, degetul mare se va întoarce, iar produsul vectorial va privi deja în jos. Aceasta este, de asemenea, o bază orientată spre dreapta. S-ar putea să aveți o întrebare: ce bază a lăsat orientarea? „Atribuiți” acelorași degete mâna stângă vectori și obțineți baza stângă și orientarea la stânga a spațiului (în acest caz, degetul mare va fi situat în direcția vectorului inferior). Figurat vorbind, aceste baze „întorc” sau orientează spațiul în direcții diferite. Și acest concept nu ar trebui considerat ceva exagerat sau abstract - de exemplu, orientarea spațiului este schimbată de cea mai obișnuită oglindă, iar dacă „trageți obiectul reflectat din oglindă”, atunci, în cazul general, acesta nu va fi posibil să-l combinați cu „originalul”. Apropo, ține trei degete de oglindă și analizează reflexia ;-)

...ce bine e despre care știi acum orientat spre dreapta și spre stânga baze, deoarece afirmațiile unor lectori despre o schimbare de orientare sunt înfricoșătoare =)

Produsul încrucișat al vectorilor coliniari

Definiția a fost discutată în detaliu, rămâne să aflăm ce se întâmplă atunci când vectorii sunt coliniari. Dacă vectorii sunt coliniari, atunci ei pot fi plasați pe o linie dreaptă și paralelogramul nostru se „pliază” într-o singură linie dreaptă. Zona de astfel de, așa cum spun matematicienii, degenerat paralelogramul este egal cu zero. Același lucru rezultă din formula - sinusul lui zero sau 180 de grade este egal cu zero, ceea ce înseamnă că aria este zero

Astfel, dacă , atunci Și . Vă rugăm să rețineți că produsul vectorial în sine este egal cu vectorul zero, dar în practică acest lucru este adesea neglijat și se scrie că este, de asemenea, egal cu zero.

Un caz special este produsul vectorial al unui vector cu el însuși:

Folosind produsul vectorial, puteți verifica coliniaritatea vectorilor tridimensionali și vom analiza și această problemă, printre altele.

Pentru a rezolva exemple practice este posibil să aveți nevoie tabel trigonometric pentru a găsi valorile sinusurilor din ea.

Ei bine, hai să aprindem focul:

Exemplul 1

a) Aflați lungimea produsului vectorial al vectorilor dacă

b) Aflați aria unui paralelogram construit pe vectori dacă

Soluţie: Nu, aceasta nu este o greșeală de tipar, am făcut în mod deliberat datele inițiale din clauze la fel. Pentru că designul soluțiilor va fi diferit!

a) În funcție de condiție, trebuie să găsiți lungime vector (produs încrucișat). Conform formulei corespunzătoare:

Răspuns:

Dacă ați fost întrebat despre lungime, atunci în răspuns indicăm dimensiunea - unități.

b) În funcție de condiție, trebuie să găsiți pătrat paralelogram construit pe vectori. Aria acestui paralelogram este numeric egală cu lungimea produsului vectorial:

Răspuns:

Vă rugăm să rețineți că răspunsul nu vorbește deloc despre produsul vectorial despre care am fost întrebați zona figurii, în consecință, dimensiunea este unități pătrate.

Ne uităm mereu la CE trebuie să găsim în funcție de condiție și, pe baza acesteia, formulăm clar Răspuns. Poate părea literalism, dar există o mulțime de literaliști printre profesori, iar misiunea are șanse mari să fie returnată pentru revizuire. Deși aceasta nu este o dispută deosebit de exagerată - dacă răspunsul este incorect, atunci se are impresia că persoana nu înțelege lucruri simple și/sau nu a înțeles esența sarcinii. Acest punct trebuie ținut întotdeauna sub control atunci când rezolvăm orice problemă la matematică superioară, dar și la alte materii.

Unde a ajuns litera mare „en”? În principiu, ar fi putut fi atașat suplimentar la soluție, dar pentru a scurta intrarea, nu am făcut asta. Sper că toată lumea înțelege asta și este o desemnare pentru același lucru.

Un exemplu popular pentru o soluție de bricolaj:

Exemplul 2

Găsiți aria unui triunghi construit pe vectori dacă

Formula pentru găsirea ariei unui triunghi prin produsul vectorial este dată în comentariile la definiție. Soluția și răspunsul sunt la sfârșitul lecției.

În practică, sarcina este într-adevăr foarte comună, în general, triunghiurile te pot chinui.

Pentru a rezolva alte probleme vom avea nevoie de:

Proprietăți ale produsului vectorial al vectorilor

Am luat deja în considerare unele proprietăți ale produsului vectorial, totuși, le voi include în această listă.

Pentru vectorii arbitrari și un număr arbitrar, următoarele proprietăți sunt adevărate:

1) În alte surse de informații, acest articol nu este de obicei evidențiat în proprietăți, dar este foarte important din punct de vedere practic. Asa ca lasa sa fie.

2) – mai sus se discută și proprietatea, uneori se numește anticomutativitatea. Cu alte cuvinte, ordinea vectorilor contează.

3) – asociativ sau asociativ legile produselor vectoriale. Constantele pot fi mutate cu ușurință în afara produsului vectorial. Serios, ce ar trebui să facă acolo?

4) – distribuție sau distributiv legile produselor vectoriale. Nici cu deschiderea consolelor nu sunt probleme.

Pentru a demonstra, să ne uităm la un exemplu scurt:

Exemplul 3

Găsiți dacă

Soluţie: Condiția necesită din nou găsirea lungimii produsului vectorial. Să ne pictăm miniatura:

(1) Conform legilor asociative, luăm constantele în afara domeniului produsului vectorial.

(2) Mutăm constanta în afara modulului, iar modulul „mâncă” semnul minus. Lungimea nu poate fi negativă.

(3) Restul este clar.

Răspuns:

Este timpul să adăugați mai multă lemne la foc:

Exemplul 4

Calculați aria unui triunghi construit pe vectori dacă

Soluţie: Găsiți aria triunghiului folosind formula . Problema este că vectorii „tse” și „de” sunt ei înșiși prezentați ca sume de vectori. Algoritmul de aici este standard și amintește oarecum de exemplele nr. 3 și 4 ale lecției Produsul punctual al vectorilor. Pentru claritate, vom împărți soluția în trei etape:

1) La primul pas, exprimăm produsul vectorial prin produsul vectorial, de fapt, să exprimăm un vector în termeni de vector. Încă nu se vorbește despre lungimi!

(1) Înlocuiți expresii pentru vectori.

(2) Folosind legi distributive, deschidem parantezele după regula înmulțirii polinoamelor.

(3) Folosind legile asociative, mutăm toate constantele dincolo de produsele vectoriale. Cu puțină experiență, pașii 2 și 3 pot fi executați simultan.

(4) Primul și ultimul termen sunt egali cu zero (vector zero) datorită proprietății frumoase. În al doilea termen folosim proprietatea de anticomutativitate a unui produs vectorial:

(5) Prezentăm termeni similari.

Ca urmare, vectorul s-a dovedit a fi exprimat printr-un vector, care este ceea ce trebuia să fie realizat:

2) În a doua etapă, găsim lungimea produsului vectorial de care avem nevoie. Această acțiune este similară cu Exemplul 3:

3) Găsiți aria triunghiului necesar:

Etapele 2-3 ale soluției ar fi putut fi scrise într-un singur rând.

Răspuns:

Problema luată în considerare este destul de comună în teste, iată un exemplu pentru a o rezolva singur:

Exemplul 5

Găsiți dacă

O scurtă soluție și răspuns la sfârșitul lecției. Să vedem cât de atent ai fost când ai studiat exemplele anterioare ;-)

Produsul încrucișat al vectorilor în coordonate

Formula este foarte simplă: în linia superioară a determinantului scriem vectorii de coordonate, în a doua și a treia linie „punem” coordonatele vectorilor și punem în ordine strictă– mai întâi coordonatele vectorului „ve”, apoi coordonatele vectorului „dublu-ve”. Dacă vectorii trebuie înmulțiți într-o ordine diferită, atunci rândurile trebuie schimbate:

Exemplul 10

Verificați dacă următorii vectori spațiali sunt coliniari:
A)
b)

Soluţie: Verificarea se bazează pe una dintre afirmațiile din această lecție: dacă vectorii sunt coliniari, atunci produsul lor vectorial este egal cu zero (vector zero): .

a) Găsiți produsul vectorial:

Astfel, vectorii nu sunt coliniari.

b) Găsiți produsul vectorial:

Răspuns: a) nu este coliniar, b)

Iată, probabil, toate informațiile de bază despre produsul vectorial al vectorilor.

Această secțiune nu va fi foarte mare, deoarece există puține probleme în care se utilizează produsul mixt al vectorilor. De fapt, totul va depinde de definiție, semnificația geometrică și câteva formule de lucru.

Un produs mixt de vectori este produsul a trei vectori:

Așa că s-au aliniat ca un tren și abia așteaptă să fie identificați.

Mai întâi, din nou, o definiție și o imagine:

Definiție: Lucru mixt necoplanare vectori, luate în această ordine, numit volum paralelipiped, construit pe acești vectori, echipat cu un semn „+” dacă baza este dreapta și un semn „–” dacă baza este stângă.

Hai să facem desenul. Liniile invizibile pentru noi sunt desenate cu linii punctate:

Să ne aprofundăm în definiție:

2) Se iau vectori într-o anumită ordine, adică rearanjarea vectorilor în produs, după cum ați putea ghici, nu are loc fără consecințe.

3) Înainte de a comenta semnificația geometrică, voi observa un fapt evident: produsul mixt al vectorilor este un NUMĂR: . În literatura educațională, designul poate fi ușor diferit. Sunt obișnuit să desemnez un produs mixt prin , iar rezultatul calculelor cu litera „pe”.

A-prioriu produsul amestecat este volumul paralelipipedului, construit pe vectori (figura este desenată cu vectori roșii și linii negre). Adică, numărul este egal cu volumul unui paralelipiped dat.

Notă : Desenul este schematic.

4) Să nu ne îngrijorăm din nou cu privire la conceptul de orientare a bazei și a spațiului. Semnificația părții finale este că se poate adăuga un semn minus la volum. Cu cuvinte simple, un produs mixt poate fi negativ: .

Direct din definiție urmează formula de calcul al volumului unui paralelipiped construit pe vectori.

Înainte de a da conceptul de produs vectorial, să ne întoarcem la întrebarea orientării unui triplu ordonat al vectorilor a →, b →, c → în spațiul tridimensional.

Pentru început, să lăsăm deoparte vectorii a → , b → , c → dintr-un punct. Orientarea triplei a → , b → , c → poate fi dreapta sau stânga, în funcție de direcția vectorului c → însuși. Tipul de triplă a → , b → , c → va fi determinat din direcția în care se face cea mai scurtă tură de la vectorul a → la b → de la capătul vectorului c → .

Dacă virajul cel mai scurt este efectuat în sens invers acelor de ceasornic, atunci triplul vectorilor a → , b → , c → se numește dreapta, dacă în sensul acelor de ceasornic - stânga.

În continuare, luăm doi vectori necoliniari a → și b →. Să reprezentăm apoi vectorii A B → = a → și A C → = b → din punctul A. Să construim un vector A D → = c →, care este simultan perpendicular atât pe A B → cât și pe A C →. Astfel, atunci când construim vectorul în sine A D → = c →, putem face două lucruri, dându-i fie o direcție, fie invers (vezi ilustrația).

Un triplu ordonat al vectorilor a → , b → , c → poate fi, după cum am descoperit, dreapta sau stânga în funcție de direcția vectorului.

Din cele de mai sus putem introduce definiția unui produs vectorial. Această definiție este dată pentru doi vectori definiți într-un sistem de coordonate dreptunghiular al spațiului tridimensional.

Definiția 1

Produsul vectorial al doi vectori a → și b → vom numi un astfel de vector definit într-un sistem de coordonate dreptunghiular al spațiului tridimensional astfel încât:

• dacă vectorii a → și b → sunt coliniari, va fi zero;
• va fi perpendicular atât pe vectorul a → ​​​​ cât și pe vectorul b → adică. ∠ a → c → = ∠ b → c → = π 2 ;
• lungimea sa este determinată de formula: c → = a → · b → · sin ∠ a → , b → ;
• triplul vectorilor a → , b → , c → are aceeași orientare ca și sistemul de coordonate dat.

Produsul vectorial al vectorilor a → și b → are următoarea notație: a → × b →.

Coordonatele produsului vectorial

Deoarece orice vector are anumite coordonate în sistemul de coordonate, putem introduce o a doua definiție a unui produs vectorial, care ne va permite să găsim coordonatele acestuia folosind coordonatele date ale vectorilor.

Definiția 2

Într-un sistem de coordonate dreptunghiular al spațiului tridimensional produs vectorial al doi vectori a → = (a x ; a y ; a z) și b → = (b x ; b y ; b z) se numește vector c → = a → × b → = (a y b z - a z b y) i → + (a z b x - a x b z) j → + (a x b y - a y b x) k → , unde i → , j → , k → sunt vectori de coordonate.

Produsul vectorial poate fi reprezentat ca determinant al unei matrice pătrate de ordinul trei, unde primul rând conține vectorii vectori i → , j → , k → , al doilea rând conține coordonatele vectorului a → , iar al treilea rând conține coordonatele vectorului b → într-un sistem de coordonate dreptunghiular dat, acesta este determinantul matricei arată astfel: c → = a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z

Expandând acest determinant în elementele primului rând, obținem egalitatea: c → = a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z = a y a z b y b z · i → - a x a z b x b z · j → + a x a y b x b y · k → = = a → × b → = (a y b z - a z b y) i → + (a z b x - a x b z) j → + (a x b y - a y b x) k →

Proprietățile unui produs încrucișat

Se știe că produsul vectorial în coordonate este reprezentat ca determinant al matricei c → = a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z , apoi pe baza proprietățile determinantului matricei sunt afișate următoarele proprietățile unui produs vectorial:

1. anticomutatie a → × b → = - b → × a → ;
2. distributivitatea a (1) → + a (2) → × b = a (1) → × b → + a (2) → × b → sau a → × b (1) → + b (2) → = a → × b (1) → + a → × b (2) → ;
3. asociativitatea λ a → × b → = λ a → × b → sau a → × (λ b →) = λ a → × b →, unde λ este un număr real arbitrar.

Aceste proprietăți au dovezi simple.

Ca exemplu, putem demonstra proprietatea anticomutativă a unui produs vectorial.

Dovada anticomutativității

Prin definiție, a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z și b → × a → = i → j → k → b x b y b z a x a y a z . Și dacă două rânduri ale matricei sunt schimbate, atunci valoarea determinantului matricei ar trebui să se schimbe la opus, prin urmare, a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z = - i → j → k → b x b y b z a x a y a z = - b → × a → , care și demonstrează că produsul vectorial este anticomutativ.

Produs vectorial - exemple și soluții

În cele mai multe cazuri, există trei tipuri de probleme.

În problemele de primul tip, lungimile a doi vectori și unghiul dintre ei sunt de obicei date și trebuie să găsiți lungimea produsului vectorial. În acest caz, utilizați următoarea formulă c → = a → · b → · sin ∠ a → , b → .

Exemplul 1

Aflați lungimea produsului vectorial al vectorilor a → și b → dacă cunoașteți a → = 3, b → = 5, ∠ a →, b → = π 4.

Soluţie

Determinând lungimea produsului vectorial al vectorilor a → și b →, rezolvăm această problemă: a → × b → = a → · b → · sin ∠ a → , b → = 3 · 5 · sin π 4 = 15 2 2 .

Răspuns: 15 2 2 .

Problemele de al doilea tip au o legătură cu coordonatele vectorilor, în ele produsul vectorial, lungimea acestuia etc. sunt căutate prin coordonatele cunoscute ale vectorilor dați a → = (a x; a y; a z) Și b → = (b x ; b y ; b z) .

Pentru acest tip de problemă, puteți rezolva o mulțime de opțiuni de activitate. De exemplu, nu pot fi specificate coordonatele vectorilor a → și b →, ci expansiunile lor în vectori de coordonate de forma b → = b x · i → + b y · j → + b z · k → și c → = a → × b → = (a y b z - a z b y) i → + (a z b x - a x b z) j → + (a x b y - a y b x) k →, sau vectorii a → și b → pot fi specificați prin coordonatele începutului lor și punctele finale.

Luați în considerare următoarele exemple.

Exemplul 2

Într-un sistem de coordonate dreptunghiular se dau doi vectori: a → = (2; 1; - 3), b → = (0; - 1; 1). Găsiți produsul lor încrucișat.

Soluţie

Prin a doua definiție, găsim produsul vectorial al doi vectori în coordonate date: a → × b → = (a y · b z - a z · b y) · i → + (a z · b x - a x · b z) · j → + ( a x · b y - a y · b x) · k → = = (1 · 1 - (- 3) · (- 1)) · i → + ((- 3) · 0 - 2 · 1) · j → + (2) · (- 1) - 1 · 0) · k → = = - 2 i → - 2 j → - 2 k → .

Dacă scriem produsul vectorial prin determinantul matricei, atunci soluția acestui exemplu arată astfel: a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z = i → j → k → 2 1 - 3 0 - 1 1 = - 2 i → - 2 j → - 2 k → .

Răspuns: a → × b → = - 2 i → - 2 j → - 2 k → .

Exemplul 3

Aflați lungimea produsului vectorial al vectorilor i → - j → și i → + j → + k →, unde i →, j →, k → sunt vectorii unitari ai sistemului de coordonate carteziene dreptunghiulare.

Soluţie

Mai întâi, să găsim coordonatele unui produs vectorial dat i → - j → × i → + j → + k → într-un sistem de coordonate dreptunghiular dat.

Se știe că vectorii i → - j → și i → + j → + k → au coordonatele (1; - 1; 0) și respectiv (1; 1; 1). Să aflăm lungimea produsului vectorial folosind determinantul matricei, atunci avem i → - j → × i → + j → + k → = i → j → k → 1 - 1 0 1 1 1 = - i → - j → + 2 k → .

Prin urmare, produsul vectorial i → - j → × i → + j → + k → are coordonate (- 1 ; - 1 ; 2) în sistemul de coordonate dat.

Găsim lungimea produsului vectorial folosind formula (vezi secțiunea despre găsirea lungimii unui vector): i → - j → × i → + j → + k → = - 1 2 + - 1 2 + 2 2 = 6.

Răspuns: i → - j → × i → + j → + k → = 6 . .

Exemplul 4

Într-un sistem de coordonate carteziene dreptunghiulare, sunt date coordonatele a trei puncte A (1, 0, 1), B (0, 2, 3), C (1, 4, 2). Găsiți un vector perpendicular pe A B → și A C → în același timp.

Soluţie

Vectorii A B → și A C → au următoarele coordonate (- 1 ; 2 ; 2) și respectiv (0 ; 4 ; 1). După ce am găsit produsul vectorial al vectorilor A B → și A C →, este evident că este un vector perpendicular prin definiție atât pe A B → cât și pe A C →, adică este o soluție a problemei noastre. Să o găsim A B → × A C → = i → j → k → - 1 2 2 0 4 1 = - 6 i → + j → - 4 k → .

Răspuns: - 6 i → + j → - 4 k → . - unul dintre vectorii perpendiculari.

Problemele de al treilea tip sunt concentrate pe utilizarea proprietăților produsului vectorial al vectorilor. După aplicarea acesteia, vom obține o soluție la problema dată.

Exemplul 5

Vectorii a → și b → sunt perpendiculari și lungimile lor sunt 3 și, respectiv, 4. Aflați lungimea produsului vectorial 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 → .

Soluţie

Prin proprietatea distributivă a unui produs vectorial, putem scrie 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 →

Prin proprietatea asociativității, scoatem coeficienții numerici din semnul produselor vectoriale din ultima expresie: 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 →

Produsele vectoriale a → × a → și b → × b → sunt egale cu 0, deoarece a → × a → = a → · a → · sin 0 = 0 și b → × b → = b → · b → · sin 0 = 0, atunci 3 · a → × a → - 6 · a → × b → - b → × a → + 2 · b → × b → = - 6 · a → × b → - b → × a → . .

Din anticomutativitatea produsului vectorial rezultă - 6 · a → × b → - b → × a → = - 6 · a → × b → - (- 1) · a → × b → = - 5 · a → × b → . .

Folosind proprietățile produsului vectorial, obținem egalitatea 3 · a → - b → × a → - 2 · b → = = - 5 · a → × b → .

Prin condiție, vectorii a → și b → sunt perpendiculari, adică unghiul dintre ei este egal cu π 2. Acum tot ce rămâne este să înlocuiți valorile găsite în formulele adecvate: 3 a → - b → × a → - 2 b → = - 5 a → × b → = = 5 a → × b → = 5 a → b → · sin (a → , b →) = 5 · 3 · 4 · sin π 2 = 60 .

Răspuns: 3 a → - b → × a → - 2 b → = 60.

Lungimea produsului vectorial al vectorilor prin definiție este egală cu a → × b → = a → · b → · sin ∠ a → , b → . Deoarece se știe deja (din cursul școlii) că aria unui triunghi este egală cu jumătate din produsul lungimilor celor două laturi înmulțit cu sinusul unghiului dintre aceste laturi. În consecință, lungimea produsului vectorial este egală cu aria paralelogramului - un triunghi dublat, și anume produsul laturilor sub forma vectorilor a → și b →, așezați dintr-un punct, de sinusul lui unghiul dintre ele sin ∠ a →, b →.

Acesta este sensul geometric al unui produs vectorial.

Sensul fizic al produsului vectorial

În mecanică, una dintre ramurile fizicii, datorită produsului vectorial, puteți determina momentul unei forțe față de un punct din spațiu.

Definiția 3

Prin momentul forței F → aplicat punctului B, relativ la punctul A, vom înțelege următorul produs vectorial A B → × F →.

Dacă observați o eroare în text, vă rugăm să o evidențiați și să apăsați Ctrl+Enter