Векторное и смешанное произведение

Геометрия на плоскости и в пространстве.

Целью данного раздела состоит в рассмотрении таких геометрических понятий как расстояние, площадь, объём с последующим обобщением этих понятий и их переносом на произвольные линейные пространства.

Скалярное произведение.

Определение 1.1. Скалярным произведением геометрических векторов a и b называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Скалярное произведение векторов обозначают .

Из определения следует, что длина вектора равна .

Приведём свойства скалярного произведения.

1. . Симметричность

2. Линейность

3.

В доказательстве нуждается только третье равенство. Если c=0, то равенство очевидно. Пусть . Проекция вектора b на c равна .

Из равенства и приведённой выше формулы выводим . Приравняем коэффициенты при векторе c в левой и правой частях равенства и умножим на квадрат длины вектора c, получим свойство 3.

Задание длин векторов определяет скалярное произведение. Действительно, из свойств скалярного произведения выводим равенство , которое перепишем в виде

. Таким образом, задание длин векторов равносильно заданию скалярного произведения и наоборот.

Выразим скалярное произведение через координаты перемножаемых векторов. Пусть - базис пространства векторов, и , - разложения векторов a,b по этому базису. Тогда по свойствам скалярного произведения выводим . Обозначим через матрицу Грамма от векторов , составленную из скалярных произведений этих векторов, через - координаты вектора a в базисе f. В этих обозначениях скалярное произведение можно записать с помощью матричных операций следующим образом .

Векторы называются ортогональными (перпендикулярными) если угол между ними равен . Условие ортогональности векторов равносильно равенству нулю их скалярного произведения.

Базис называется ортогональным, если базисные векторы попарно ортогональны. Матрица Грамма ортогональной системы векторов – диагональная. Выражение скалярного произведения через координаты векторов в ортогональном базисе принимает более простой вид, а именно, .

В ортогональном базисе скалярное произведение вектора a на базисный вектор равно , то есть, координаты вектора a находятся по формулам .

Ортогональный базис , в котором длина каждого базисного вектора равна 1, называется ортонормированным. В ортонормированном базисе координаты вектора x определяются по формулам , а скалярное произведение векторов равно .

Векторное и смешанное произведение.

Множество всех ортонормированных троек векторов можно разбить на два класса. Будем говорить, что тройка имеет левую ориентацию, если со стороны первого вектора тройки движение (по кратчайшему пути) от второго к третьему по часовой стрелке, в противном случае тройка имеет правую ориентацию.

Векторным произведением векторов a и b называется вектор, удовлетворяющий следующим трём условиям:

1. Длина вектора равна площади параллелограмма натянутого на векторы a,b.

2. Вектор ортогонален векторам a и b.

3. Тройка векторов a,b, – имеет правую ориентацию.

Из определения вытекает, что . Если векторы a,b коллинеарные, то векторное произведение равно 0. Приведём свойства векторного произведения.

Свойство 1.1 Векторное произведение антикоммутативно, то есть .

Действительно, модуль векторного произведения не зависит от порядка сомножителей. Далее, вектор коллинеарен вектору . Однако, переставляя множителей, мы должны изменить направление произведения, чтобы было выполнено условие 3.

Смешанным произведением векторов a,b,c называется число и обозначается .

Свойство 1.2 Смешанное произведение векторов по модулю равно объёму параллелепипеда натянутого на тройку векторов a,b,c. Знак смешанного произведения определяется ориентацией тройки векторов a,b,c, плюс – если тройка правая и минус – если левая.

Доказательство. По определению смешанного произведения , где - угол между вектором и векторным произведением , а - угол между векторами и . Произведение равно высоте параллелепипеда, а - площади основания параллелепипеда. Произведение этих величин равно объёму параллелепипеда. Знак произведения определяется знаком . Если угол острый, то тройка векторов правая и смешанное произведение положительно. Если угол тупой, то тройка левая и знак смешанного произведения отрицательный.

Свойство 1.3 .

Для доказательства достаточно заметить, что по модулю все приведённые величины равны и совпадают с объёмом параллелепипеда, натянутого на векторы , а знак определяется в зависимости от ориентации тройки векторов.

Свойство 1.4.

Доказательство. Рассмотрим смешанное произведение . Выпишем цепочку равенств, используя свойства смешанного и скалярного произведения: . Вычтем из левой части равенства правую и получим равенство справедливое при любом выборе x. Положим , тогда и, значит, .

Свойство 1.5

Доказательство. .

Выразим координаты векторного произведения через координаты исходных векторов в правом ортонормированном базисе. Пусть и . Используя свойства векторного произведения, найдём , и . Поскольку базис ортонормированный, то

первая координата равна , вторая координата и третья координата . Таким образом, векторное произведение может быть получено в результате раскрытия по третьему столбцу символического определителя .

Выразим смешанное произведение через координаты исходных векторов в ортонормированном базисе. Разложим векторы a,b,c по базису , , . Раскроем смешенное произведение . Выражение в правой части есть определитель матрицы .

Таким образом, определитель матрицы, составленной из координат векторов по абсолютной величине равен объёму параллелепипеда натянутого на эти вектора, а его знак показывает ориентацию этой тройки векторов. Знак положителен, если ориентация совпадает с ориентацией базисных векторов и отрицателен, если ориентации не совпадают.

Матрица Грама от трёх векторов, заданных в ортонормированном базисе равна произведению матриц , следовательно, определитель матрицы Грама равен квадрату объёма параллелепипеда натянутого на эти векторы.