Смешанное произведение Векторная алгебра

 

Предложение 10.28 Смешанное произведение линейно по каждому аргументу.

Линейность операции по какому-то аргументу означает выполнение двух условий:

1) если аргумент умножить на число, то и результат умножится на это число, то есть числовой множитель аргумента можно вынести за знак операции;

2) если аргумент заменить суммой двух слагаемых, то результат будет равен сумме результатов для каждого слагаемого.

Со свойством линейности мы уже встречались при изучении скалярного произведения векторов (свойства 2,3 теорема 10.2), векторного произведения (предложения 10.20,10.21), в математическом анализе свойством линейности обладают операции нахождения предела, дифференцирования, интегрирования.

В частности, утверждение, что смешанное произведение линейно по второму аргументу, означает: Примеры вычисления производных

1) $ {\bf a}({\lambda}{\bf b}){\bf c}={\lambda}({\bf a}{\bf b}{\bf c})$ ;

2) $ {\bf a}({\bf b}_1+{\bf b}_2){\bf c}={\bf a}{\bf b}_1{\bf c}+{\bf a}{\bf b}_2{\bf c}$ .

Доказательство предложения 10.28. Соотношения $ ({\lambda}{\bf a}){\bf b}{\bf c}={\lambda}({\bf a}{\bf b}{\bf c})$ и $ {({\bf a}_1+{\bf a}_2){\bf b}{\bf c}= {\bf a}_1{\bf b}{\bf c}+{\bf a}_2{\bf b}{\bf c}}$ следуют из того, что abc является скалярным произведением a на $ {\bf b}\times {\bf c}$ и из линейности скалярного произведения (свойства 2,3, теорема 10.2).

Для второго аргумента: в силу равенства(10.8) выполнено $ {{\bf a}{\bf b}{\bf c}={\bf b}{\bf c}{\bf a}}$ , поэтому

$\displaystyle {\bf a}({\lambda}{\bf b}){\bf c}=({\lambda}{\bf b}){\bf c}{\bf a}={\lambda}({\bf b}{\bf c}{\bf a})={\lambda}({\bf a}{\bf b}{\bf c}),$

$\displaystyle {\bf a}({\bf b}_1+{\bf b}_2){\bf c}=({\bf b}_1+{\bf b}_2){\bf c}{... ...f a}+{\bf b}_2{\bf c}{\bf a}= {\bf a}{\bf b}_1{\bf c}+{\bf a}{\bf b}_2{\bf c}.$

Для третьего аргумента свойство линейности доказывается аналогично.

Теперь подготовлен аппарат для доказательства предложения 10.21.

Доказательство предложения 10.21. Выберем в пространстве правый ортонормированный базис i,j,k. Пусть $ {{\bf d}={\bf a}\times ({\bf b}+{\bf c})}$ , $ {{\bf d}=({\alpha};{\beta};{\gamma})}$ , $ {{\bf d}_1={\bf a}\times {\bf b}}$ , $ {{\bf d}_1=({\alpha}_1;{\beta}_1;{\gamma}_1)}$ , $ {{\bf d}_2={\bf a}\times {\bf c}}$ , $ {{\bf d}_2=({\alpha}_2;{\beta}_2;{\gamma}_2)}$ . Нам нужно доказать, что $ {{\bf d}={\bf d}_1+{\bf d}_2}$ , то есть что выполняются равенства: $ {{\alpha}={\alpha}_1+{\alpha}_2}$ , $ {{\beta}={\beta}_1+{\beta}_2}$ , $ {{\gamma}={\gamma}_1+{\gamma}_2}$ .

В силу предложения 10.16

$\displaystyle {\alpha}= Пр_{\bf i}{\bf d}=\frac {{\bf i}{\bf d}}{\vert{\bf i}\v... ... d}={\bf i}({\bf a}\times ({\bf b}+{\bf c}))= {\bf i}{\bf a}({\bf b}+{\bf c}).$

По свойству линейности смешанного произведения

$\displaystyle {\alpha}={\bf i}{\bf a}{\bf b}+{\bf i}{\bf a}{\bf c}= {\bf i}{\bf d}_1+{\bf i}{\bf d}_2={\alpha}_1+{\alpha}_2.$

Аналогично доказываются равенства $ {\beta}={\beta}_1+{\beta}_2$ , $ {\gamma}={\gamma}_1+{\gamma}_2$ .

Предложение 10.29 Объем треугольной пирамиды, ребрами которой служат векторыa,b,c, равен $ \frac 16\vert{\bf a}{\bf b}{\bf c}\vert$ .

Доказательство. Построим параллелепипед, три ребра которого совпадают с тремя ребрами пирамиды, выходящими из одной точки (рис. 10.28).




Рис.10.28.Объем пирамиды


Объем параллелепипеда вычисляется по формуле $ {V=S_{ABDC}\cdot h}$ , а объем пирамиды-- $ {V_{пир}=\frac 13 S_{\triangle ABC}\cdot h}$ . Так как $ {S_{\triangle ABC}=\frac 12 S_{ABDC}}$ , то $ {V_{пир}=\frac 16 V}$ .

По предложению 10.27 получим, что $ V=\vert{\bf a}{\bf b}{\bf c}\vert$ , а $ {V_{пир}=\frac 16 \vert{\bf a}{\bf b}{\bf c}\vert}$ .

Получим формулу для нахождения смешанного произведения по координатам сомножителей.

Предложение 10.30 Пусть в правом ортонормированном базисеi,j,kзаданы векторы $ {{\bf a}=({\alpha}_1;{\alpha}_2;{\alpha}_3)}$ , $ {{\bf b}=({\beta}_1;{\beta}_2;{\beta}_3)}$ , $ {{\bf c}=({\gamma}_1;{\gamma}_2;{\gamma}_3)}$ . Тогда
$\displaystyle {\bf a}{\bf b}{\bf c}=\left\vert\begin{array}{ccc} {\alpha}_1&{\a... ...&{\beta}_2&{\beta}_3\\ {\gamma}_1&{\gamma}_2&{\gamma}_3 \end{array}\right\vert.$(10.9)

Доказательство. По предложению 10.25 находим координаты вектора $ {\bf b}\times {\bf c}$ :

$\displaystyle {\bf b}\times {\bf c}=\left(\left\vert\begin{array}{cc} {\beta}_2... ...}{cc} {\beta}_1&{\beta}_2\\ {\gamma}_1&{\gamma}_2\end{array}\right\vert\right).$

По теореме 10.3 находим скалярное произведение вектора a на вектор $ {\bf b}\times {\bf c}$ :

$\displaystyle {\bf a}\cdot({\bf b}\times {\bf c})={\alpha}_1 \left\vert\begin{... ...n{array}{cc} {\beta}_1&{\beta}_2\\ {\gamma}_1&{\gamma}_2\end{array}\right\vert.$

Правая часть этого равенства совпадает с определением определителя $ \left\vert\begin{array}{ccc} {\alpha}_1&{\alpha}_2&{\alpha}_3\\ {\beta}_1&{\beta}_2&{\beta}_3\\ {\gamma}_1&{\gamma}_2&{\gamma}_3 \end{array}\right\vert$ . По определению $ {{\bf a}{\bf b}{\bf c}={\bf a}\cdot({\bf b}\times {\bf c})}$ , формула(10.9) доказана.

Предложения 10.26 и10.30 позволяют устанавливать, компланарны ли три вектора, заданные своими координатами или, другими словами, является ли система из трех векторов линейно зависимой (предложение 10.10), или образуют ли базис эти три вектора.

Пример 10.3 Является ли система векторов $ {\bf a}=(1;1;-2)$ , $ {\bf b}=(4;-1;3)$ , $ {{\bf c}=(6;1;-1)}$ линейно зависимой?
Находим
$\displaystyle {\bf a}{\bf b}{\bf c}=\left\vert\begin{array}{rrr} 1&1&-2\\ 4&-1&... ...}\right\vert- 2\left\vert\begin{array}{rr} 4&-1\\ 6&1\end{array}\right\vert=0.$
По предложению 10.26 векторы a,b,c компланарны и по предложению 10.10 линейно зависимы.

 

 

 

Тригонометрическая форма комплексного числа

  Пример 17.5   Запишите в тригонометрической форме числа $ {z_1=2+2i}$ , $ {z_2=-i}$ , $ {z_3=\sqrt3-i}$ , $ {z_4=5}$ . Вычисление определенного интеграла Примеры решения и офомления задач контрольной работы по высшей математике Вычислить интеграл . Решение. Для того, чтобы вычислить данный интеграл, воспользуемся основной тригонометрической заменой:
Решение. Находим модуль, аргумент, а затем выписываем тригонометрическую форму:
$\displaystyle \vert z_1\vert=\sqrt{2^2+2^2}=2\sqrt2,\quad \arg z_1=\mathop{\rm arctg}\nolimits \frac22=\frac{\pi}4,$
$\displaystyle z_1=2\sqrt2\left(\cos\frac{\pi}4+i\sin\frac{\pi}4\right);$
$\displaystyle \vert z_2\vert=\sqrt{0^2+(-1)^2},\quad \arg z_2=-\frac{\pi}2,$
$\displaystyle z_2=\cos\left(-\frac{\pi}2\right)+i\sin\left(-\frac{\pi}2\right);$
$\displaystyle \vert z_3\vert=\sqrt{(\sqrt3)^2+(-1)^2}=2,\quad \arg z_3=\mathop{\rm arctg}\nolimits \frac{-1}{\sqrt3}= -\frac{\pi}6,$
$\displaystyle z_3=2\left(\cos\left(-\frac{\pi}6\right)+i\sin\left(-\frac{\pi}6\right) \right);$
$\displaystyle \vert z_4\vert=\sqrt{5^2+0^2}=5,\quad \arg z_4=0,$
$\displaystyle z_4=5(\cos0+i\sin0).$
        

Используя правило умножения комплексных чисел в тригонометрической форме, получим формулу для возведения комплексного числа в степень $ n$ , где $ n$  -- натуральное число.

Пусть $ {z=r(\cos {\varphi}+i\sin{\varphi})}$ . Тогда

$\displaystyle z^2=z\cdot z=r^2\big(\cos({\varphi}+{\varphi})+i\sin({\varphi}+{\varphi})\big),$

то есть

$\displaystyle z^2=r^2(\cos2{\varphi}+i\sin2{\varphi}).$

Далее находим

$\displaystyle z^3=(z^2)\cdot z=r^3\big(\cos(2{\varphi}+{\varphi})+i\sin(2{\varphi}+{\varphi})\big),$

то есть

$\displaystyle z^3=r^3(\cos3{\varphi}+i\sin3{\varphi}).$

Классификация операционных систем Виртуальная память Реализация многозадачности
Системы безопасности Операционная система Linux Введение в компьютерные сети Принципы построения вычислительных систем Базовые технологии локальной сетиСредства анализа Процедуры и функции Pascal Язык запросов SQL Программирование на СИ Брандмауэры Протоколы TCP/IP Файловые системы Драйверы устройств