5. Смешанное произведение трех векторов и его основные свойства.
Пусть даны три вектора
,
и
. Представим себе, что вектор
умножается векторно на
и
полученный вектор
х
умножается
скалярно на вектор ,
тем самым определяется число (х). Оно называется
или смешанным
произведением трех
векторов
,
и
.
Для краткости смешанное произведение
(х) будем обозначать
или ().
Выясним геометрический смысл смешанного
произведения .
Пусть
рассматриваемые векторы
и некомпланарны.
Построим параллелепипед на векторах
,
и как
на ребрах.
Векторное
произведение
x есть
вектор
(= 
),
численно равный площади
параллелограмма OADB (основание построенного параллелепипеда),
построенного на векторах
и и
направленный
перпендикулярно к плоскости
параллелограмма (рис. 41).
Скалярное
произведение (x) =
есть
произведение модуля вектора
и
проекции вектора
на
(см.
п. 1, (2)).
Высота построенного параллелепипеда есть абсолютная величина этой проекции.
Следовательно,
произведение | |
по абсолютной величине
равно произведению площади основания
параллелепипеда на его высоту, т.е. объему
параллелепипеда, построенного на векторах
,
и .
Рис.42
При
этом важно отметить, что скалярное
произведение
дает
объем параллелепипеда иногда с
положительным, а иногда с отрицательным
знаком. Положительный знак получается, если
угол между векторами и
острый; отрицательный -
если тупой.
При остром угле между и
вектор
расположен
по ту же сторону
плоскости OADB, что и вектор
и,
следовательно, из конца
вектора вращение от к
будет
видно так же, как и из конца вектора , т.е.
в положительном направлении (против часовой стрелки).
При
тупом угле между
вектор
расположен
по другую сторону
плоскости OADB,
чем вектор , и,
следовательно, из конца вектора
вращение
от к
будет видно в отрицательном
направлении (по часовой стрелке). Иными
словами, произведение
положительно, если
векторы
,
и
образуют систему, одноименную с
основной Oxyz (взаимно расположены так
же, как оси Ox, Oy, Oz), и оно отрицательно, если
векторы
,
образуют систему,
разноименную с основной.
Таким
образом, смешанное
произведение
есть
число, абсолютная
величина которого выражает объем
параллелепипеда, построенного на векторах
,
как на ребрах.
Знак
произведения положителен, если векторы
,
, образуют
систему, одноименную с основной, и
отрицателен в противном .
Отсюда
следует, что абсолютная величина
произведения
=(
х
) останется
той же, в каком бы порядке мы ни брали сомножители
,
, . Что
касается знака, то он будет в одних случаях
положительным, в других - отрицательным; это
зависит от того, образуют ли наши три
вектора, взятые в определенном порядке,
систему, одноименную с основной, или нет.
Заметим, что у нас оси
координат расположены так, что они следуют
одна за другой против часовой
стрелки, если смотреть во
внутреннюю часть (рис. 42). Порядок
следования не нарушается, если
мы начнем обход со второй оси или с третьей,
лишь бы он совершался в том же направлении,
т.е. против часовой стрелки. При этом множители
переставляются в круговом порядке (циклически).
Таким образом, получаем следующее свойство:
Смешанное произведение не меняется при круговой (циклической) перестановке его сомножителей. Перестановка двух соседних сомножителей меняет знак произведения
=
=
=-(
)=-(
)=-(
).
Наконец, из геометрического смысла смешанного произведения непосредственно следует следующее утверждение.
Необходимым
и достаточным условием компланарности
векторов ,,
является
равенство нулю их смешанного произведения:
=0
(14)
Скалярное произведение двух векторов | Скалярное произведение двух векторов в координатной форме | Направляющие косинусы вектора |
Векторное произведение двух векторов и его основные свойства | Смешанное произведение трех векторов и его основные свойства |
