当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第一章 空间解析几何与向量代数 > 第二节 空间向量及其运算 > 向量的向量积
同学 你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大 微积分老师 宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲 我们来学习向量的向量积
前面 我们从恒力沿直线做功
抽象出向量的数量积概念
在建立直角坐标系之后
数量积的计算就变成了形式化的计算
利用向量的数量积
可以帮助我们确定平面方程
平面的夹角
点到平面的距离等几何量
以及计算恒力沿直线做功等物理量
那么
从两个向量能不能得到一个向量形式的乘积
这就是向量积
向量积可以从哪些具体实例中抽象出来的
向量积具有什么样的性质
这就是本讲的中心任务
我们先来看一个回旋加速器的原理示意图
运动电荷在磁场中作匀速圆周运动
在经过电场时被加速
再进入磁场时 运动速度变大
因此
匀速圆周运动的半径随之变大
如此往复
运动电荷的速度逐渐被加大
电荷在电场中
受到库仑力作用
而运动电荷在磁场中会受到洛伦兹力的作用
荷兰物理学家洛伦兹
于1895年建立经典电子论时
将“运动电荷在磁场中会受到力的作用”
作为基本假定而提出的
后被大量实验结果所证实
中学物理在特殊情形
即匀强磁场
电荷运动速度与磁感应强度方向垂直时
给出了洛伦兹力大小的计算公式
洛伦兹力方向满足所谓的左手法则
那么
对于电荷运动速度
与磁感方向不垂直的一般情形
如何计算洛伦兹力的大小和方向
对于电荷运动速度
与磁感应强度B方向不垂直的一般情形
可以对磁感应强度B作平行
和垂直于电荷运动速度v方向的正交分解
将垂直于电荷运动速度的分量B_⊥
代入特殊情形时洛伦兹力的计算大小计算公式
利用左手法则可以得到洛伦兹力的方向
这样 就得到了电荷运动所受的洛伦兹力了
进一步观察 可以发现
洛伦兹力与电荷运动速度
磁感应强度构成右手系
也就是
洛伦兹力始终与电荷运动速度方向垂直
这样 从向量v与向量B
计算出了一个向量形式的乘积 力F
从运动电荷在磁场中
会受到洛伦兹力的计算公式
可以抽象出向量的向量积概念
对于两个向量u与v
设它们的夹角为θ
那么
它们的向量积u×v还是一个向量
它的大小等于|u||v| sinθ
方向与u v的方向构成右手系
向量积具有明确的几何意义
向量积u×v的大小
就等于以向量u与v
为邻边的平行四边形的面积
因此
向量积表达是这个平四边形的有向面积
向量的向量积运算
又称为向量的叉乘
这是一种乘法运算
那么 问题来了
为什么称向量积运算是一种乘法运算
我们来看一看向量积具有哪些运算律
从向量积的几何定义
可以发现 对任意两个向量
交换向量积运算两个向量的位置
会产生一个负号
也就是乘积向量改变方向
即向量积运算满足反交换律
因此 进一步可以得到
u×u=0 如何推导和理解
同学 动脑想一想
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流吧
对两个向量u与v
以及一个实数m
可以在数乘与向量积之间任意加括号
对于三个向量u v w
向量积运算对加法运算满足分配律
正是这个分配律
使得我们一般将向量积运算
也视为一种乘法运算
那么 如何从数学上
验证向量积对加法的分配律
如果三个向量u v和w共面
如图所示
那么 u×w v×w
以及(u+v)×w的方向
都是垂直于纸面向内的
而它们的大小关系
可以用相应的平行四边形的面积表示
利用割补法
立刻可以得到
此时向量积对加法的分配律成立
那么 对于u v和w不共面情形
如何验证向量积对加法的分配律
为验证u v和w不共面情形向量积
向量积对加法的分配律
先考虑特殊情形 |w|=1
w为单位向量
我们将用几何法作出向量积u×w
首先 将向量u和w平移到同一起点O
过点O作与w垂直的平面α
再作u在平面α上的投影u1
将投影u1绕w顺时针旋转90°
得到向量u2
可以验证 u2就是u×w 如何验证
进一步地 如何作出v×w和(u+v)×w
同学 动脑想一想
动手画一画 到学习讨论区
与小伙伴们交流交流吧
对于u v和w不共面情形
先假设|w|=1
利用上面几何方法
即投影和旋转 分别作出u×w
v×w (u+v)×w
可以发现 这三者就是
由u v和u+v所构成的三角形
在平面α上的投影和旋转
因此 u2+v2=(u+v)2
这就是向量积对加法的分配律
如果|w|≠1
可以将w的方向和模长分开
再结合数乘运算
就可以验证一般情形的向量积
对加法的分配律了
先看平面情形
建立平面直角坐标系
令x轴上单位向量i
y轴上单位向量j
那么
向量i和j之间的向量积等于多少
利用向量积的反交换律
有i×i=j×j=0 i×j=-j×i
那么 问题来了
如何计算任意两个平面向量的向量积
也就是
设已知向量u和v的坐标
那么 u×v等于多少
代入叉乘计算公式
然后 再利用向量积对加法的分配律
将括号乘开 得到四项之和
再化简和合并同类项
最后只有一项
这个向量的方向由i×j给出
大小等于x1 y2-y1 x2
利用二阶行列式
可以将向量积的乘积向量大小
表示为由x1 y1 x2 y2构成的二阶行列式
那么 对于空间情形
如何得到向量的向量积
建立空间直角坐标系
令I j k分别为x y z 轴上的单位向量
那么
向量i j和k之间的向量积等于多少
利用向量积的反交换律
有i×i=j×j=k×k=0
利用右手系可以确定
i×j=k j×k=i k×i=j
对于任意两个空间向量u v
代入叉乘计算公式
然后 利用向量积对加法的分配律
将括号乘开
得到九项之和
再化简和合并同类项
最后还剩下几项
同学 动手算一算
合并同类项之后
最后只有三项之和
每一项的系数都是两项之差的形式
可以利用二阶行列式记号
简化书写
进一步地
有没有更简单的记法
那就要用三阶行列式了
利用三阶行列式
两个空间向量的向量积
就是一个三阶行列式
第一行是三个坐标轴上的单位向量
第二行是向量积中第一个向量的坐标
第三行是向量积中第二个向量的坐标
由上面的化简过程
还可以得到三阶行列式的计算方法
可以用图示中利用划线的方法
从左上到右下的线上元素的乘积
取正号
从右上到左下的线上元素的乘积
取负号
利用向量积反交换律
可以推导出行列式的若干性质
例如
交换行列式两行的位置
行列式的值会变号
对于三阶行列式
可以按第一行展开进行计算
对于i前面的系数
就是划掉第一行和第一列
剩下的元素构成一个二阶行列式
对于j前面的系数
就是划掉第一行和第二列
剩下的元素构成一个二阶行列式
但是 前面多一个负号
对于k前面的系数
就是划掉第一行和第三列
剩下的元素构成一个二阶行列式
同学 由此你可以总结出一般性的规律吗
并将这个规律运用到
计算高阶行列式的值上
动脑想一想 动手算一算
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流吧
本讲
我们从运动电荷在磁场中
受到洛伦兹力作用计算公式
抽象出向量的向量积运算
并利用几何方法验证了
向量积运算所满足的运算律
例如
反交换律 与数乘的结合律
以及对加法的分配律等
建立直角坐标系之后
利用这些性质
可以将向量积运算
约化为关于坐标的代数运算
向量积的代数运算体现了
从有限个坐标轴上的单位向量的向量积
可以推导出任意两个向量向量积的计算公式
这可是比一本万利都赚得的买卖啊
从向量积的代数计算公式
还可以抽象二阶
和三阶行列式的计算方法和性质
这也可以作为向量积的一种应用吧
有关向量积的更多应用
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结