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 > 向量积的应用
同学 你好
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《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 我们来学习向量积的应用
我们从运动电荷在磁场中
所受的洛伦兹力的计算公式
抽象出向量的向量积运算
对于两个向量u和v
它们的向量积u×v还是一个向量
在建立直角坐标系之后
向量积运算就约化为关于坐标的代数运算
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
这可以作为向量积的一种应用
那么 向量积还有没有其它应用
利用向量的向量积概念
可以理解和计算哪些物理和几何问题
这就是本讲的中心任务
力矩的概念
起源于阿基米德对杠杆的研究
是指作用力使物体绕着转动轴
或支点转动的趋向
是力对物体产生转动作用的物理量
以物体绕点O的旋转轴旋转情形为例
假设力F作用在点P上
向径矢量 OP
利用向量积概念
力矩τ可以写成OP×F
动量矩又称角动量
描述物体转动状态的量
一个质量为m 速度为v 矢径为r的质点
对r的起点的动量矩为L=r×mv
对于仅受到太阳引力作用的行星
动量矩是守恒的
那么对于一般的受力作用物体
动量矩与力矩之间有什么关系
对动量矩求关于时间的导数
利用求导运算与向量积运算的定义
可以得到两项之和
但是dr/dt就是速度向量
因此 第一项为零
只剩下第二项
又由于dv/dt就是加速度a
利用牛顿第二定律 ma=F
因此 最后就是r×F
也就是力矩
综合起来就是
力对物体转动作用的影响就表现在
力矩等于动量矩的改变量
有没有一点熟悉的味道
前面
利用数量积对向量平行作出了判定
即向量u与v平行
当且仅当|u·v|=|u||v|
而利用向量积的几何意义
可以给出向量平行的一个简单判定
即向量u v平行
当且仅当u×v=0
这个判定方法有什么样的几何意义
利用向量积的代数观点
对于平面向量
建立直角坐标系
代入坐标计算可得
u×v=(x1 y2-y1 x2 )i×j=0
写成比值形式
就是平行向量的对应坐标成比例
对于分母为零情形
如何理解
还有 对于空间情形呢
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几何上 不共线的三点
可以唯一确定一个平面
那么 利用这不共线的三个点坐标
就应该可以写出所确定平面的方程
如何写呢
利用数量积
我们学习了平面的点法式方程
已知一个点和法向量
可以写出平面的方程
点 这里有三个点P1 P2 P3
法向量呢
连接P2 P1和P2 P3
则所确定平面α的法向量n
分别与P2 P1和P2 P3垂直
因此 可以令n=P2 P1×P2 P3
对平面α内任意一点P
由n⊥P2 P
可得平面的点法式方程
建立空间直角坐标系
设三个点P1 P2 P3
那么 由向量P2 P1和P2 P3的代数表达式
可以计算出平面α的法向量n的表达式
再与P2 P作点乘
可得平面的三点式方程
在这个方程中
以P2作为基准点
因此 三阶行列式的元素
都是减去P2的相应坐标
这里 当然也牵涉到三点共线的判定
P1 P2 P3共线
就等价于
P2 P1和P2 P3平行
也就是n=0
已知空间中四个点P1 P2 P3和P4
如何判定这四个点是否共面
四个点共面
就等价于P4落在P1 P2 P3
三个点所确定的平面上
也就是P4的坐标满足由P1 P2 P3
三点坐标所给出的三点式方程
相应地
如果P1 P2 P3和P4四个点不共面
那么 P4的坐标代入那个三阶行列式
行列式的值不为零
那么 此时
这个行列式的值有什么几何意义
如果P1 P2 P3和P4四个点不共面
P2 P4·(P2 P1×P2 P3)≠0. 那么
这个式子表达了什么样的几何量
以P2 P1 P2 P3以及P2 P4为邻边
可以张成一个平行六面体
P2 P1×P2 P3表达的是
以P2 P1和P2 P3为邻边的
平行四边形的有向面积
方向是垂直于该平行四边形所在的平面
向量P2 P4在这个方向上的投影
则表示平行六面体的高
这样 这个表达式
就表达了平行六面体的体积
它是由三个邻边对应向量的
既有点乘又有叉乘的形式构成
称为三个向量的混合积
一般地
用三个向量坐标构成的三阶行列式
可以表示三个不共面的向量
张成的平行六面体的体积
从平行六面体体积的计算公式
可以抽象出三个向量的混合积概念
u·(w×v) 这是一个关于向量的三元运算
那么 混合积具有什么样的性质
首先 观察混合积的正负号
从混合积的几何意义可以看出
混合积取正号
表示这三个向量构成右手系
相反地 如果混合积取负号
表示这三个向量构成左手系
另外 如果依次轮换混合积中三个向量的位置
它们都是表示同一个平行六面体的体积
因此 混合积的值相等
这就是混合积的轮换对称性
题目来了
设空间中四个点A B C D
试判断这四个点是否共面
将D点坐标
代入A B C三点确定的平面三点式方程
可以发现方程不成立
因此 这四个点不共面
那么 以这四个点为顶点的四面体的体积等于多少
同学 动手算一算
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考察仅受太阳引力作用的行星运动
以太阳为坐标原点
建立坐标系
行星运动的位置矢量为r
位矢方向上的单位向量为er
则行星运动的动量矩L=r×mv守恒
考察龙格—楞次矢量B=dr/dt×L-GMmer
将动量矩L代入
可得B的表达式
这个等式的右边第一项含有两个向量积运算
称为二重向量积
一般地 对于三个向量u v w
可以计算二重向量积u×(w×v)
它的结果还是一个向量
既有大小又有方向
我们先来看看方向
令n=w×v
则n就是由w v张成平面α的法向量
而u×(w×v)=u×n与向量n垂直
因此 落在平面α内
进而 可以用w和v的线性组合表示
关键是 如何确定系数a和b
为计算二重向量积系数a和b
先考察特殊形式
u w v两两垂直
那么 由向量积的定义可知
向量积w×v和u平行
因此 二重向量积u×(w×v)=0
即系数a和b都为零
再考察一种特殊情形
w v互相垂直
都是单位向量
令n=w×v
则n w v都是单位向量
并且构成右手系
将向量u按照右手系n w v展开
再代入二重向量积表达式中
利用向量积与数乘的结合律
以及对加法的分配律展开
这就是这种情形下的
二重向量积计算拉格朗日公式
对于一般情形
可以约化为这种特殊情形
如何约化
同学 动脑想一想
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本讲 讨论了向量积运算在物理
和几何上的应用
例如 力矩和动量矩
平面的三点式方程
平行六面体的体积
进一步 讨论了三个向量的混合积
和二重向量积运算
利用向量及其运算
可以解决许多物理和几何问题
希望大家在其它课程学习中
积极主动运用向量及其运算的思想和方法
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