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向量积的应用

下一节:空间直线与曲线方程

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向量积的应用课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课程

《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

同学 动手算一算

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

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

动手算一算 到学习讨论区

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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

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-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

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-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

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-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

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-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

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-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

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-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

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-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

--极坐标系下的二重积分

--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

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-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

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--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

--柱坐标系下的三重积分

--球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

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-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

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-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

向量积的应用笔记与讨论

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