Startuj z nami!

www.szkolnictwo.pl

praca, nauka, rozrywka....

mapa polskich szkół
Nauka Nauka
Uczelnie Uczelnie
Mój profil / Znajomi Mój profil/Znajomi
Poczta Poczta/Dokumenty
Przewodnik Przewodnik
Nauka Konkurs
uczelnie

zamów reklamę
zobacz szczegóły
uczelnie

Iloczyn wektorowy

Iloczyn wektorowy

Iloczyn wektorowy - działanie przyporządkowujące parze wektorów \alpha, \beta \in \mathbb{R}^3 wektor γ taki, że

Iloczyn wektorowy wektorów α i β oznaczany jest symbolem \alpha\times \beta.

Spis treści

Sposób obliczania

Mając definicję iloczynu mieszanego skonstruowaną za pomocą iloczynu wektorowego i skalarnego , można przedstawić iloczyn wektorowy jako macierz wersorów układu kartezjańskiego wraz ze współrzędnymi dwóch wektorów, dzięki któremu wyznaczamy iloczyn wektorowy. Zapiszmy iloczyn skalarny wektora \vec{c} przez iloczyn wektorowy wektorów \vec{a} i \vec{b} w następujący sposób:

\vec{c}\cdot(\vec{a}\times\vec{b})=\eta\begin{vmatrix}c_x&c_y&c_z\\a_x&a_y&a_z\\b_x&b_y&b_z\\\end{vmatrix}
(1)

Wektor \vec{d}=\vec{a}\times\vec{b} jest prostopadły do wektorów \vec{a} oraz do \vec{b} i tym samym układ wektorów (\vec{a}\times\vec{b},\vec{a},\vec{b}) tworzy nową bazę o wymiarze trzy zanurzoną w starej bazie w układzie kartezjańskim o takim samym wymiarze.

W definicji iloczynu mieszanego (1) wprowadziliśmy parametr η=±1, ponieważ z definicji wspomnianego iloczynu mieszanego z na razie z niewyznaczonym parametrem wynika, że iloczyn wektorowy jest prostopadły do wektorów, z którego on jest wyznaczony. Istnieją dwa rodzaje tych wektorów, różniące się tylko zwrotami i dlatego w tej definicji występuje ten wspomniany parametr, by określić te dwa wektory. Parametr η wyznaczymy poniżej, a więc wybierzemy jeden z dwóch tych wektorów, tak by definicja iloczynu wektorowego była taka, by zbudowana na podstawie niej baza określająca nowy układ współrzędnych w oparciu o te trzy wspomniane wcześniej wektory (dwa wektory na podstawie, której jest zbudowany nasz iloczyn wektorowy i trzeci wektor, który jest wynikiem rozważanego tego iloczynu), była taka by skrętność tego nowego układu współrzędnych była zgodna ze starym układem współrzędnym, w którym współrzędne tych trzech wektorów są wyznaczone.

Niech baza starego układu odniesienia posiadała bazę kanoniczną . Z definicji iloczynu skalarnego możemy zatem wyznaczyć współrzędne wyniku iloczynu wektorowego, którego przedstawienie matematyczne na razie bliżej nie znany, ale chcemy wyznaczyć w prostokątnym układzie współrzędnym względem określonego wektora bazy kanonicznej. To możemy tak zrobić wykorzystując definicję iloczynu mieszanego jako iloczyn pewnego wektora (w tym przypadku są wektory bazy starego układu współrzędnych) i iloczynu wektorowego dwóch dowolnych wektorów.

Zatem wyznaczmy jego współrzędne iloczynu wektorowego względem pierwszego wektora bazy kanonicznej w starym układzie współrzędnych \vec{c}=\vec{i}=(1,0,0). wtedy mamy:

d_x=\vec{i}\cdot(\vec{a}\times\vec{b})=\eta\begin{vmatrix}a_y&a_z\\b_y&b_z\end{vmatrix}
(2)

Następnie wyznaczmy jego współrzędne iloczynu wektorowego względem drugiego wektora bazy kanonicznej w starym układzie współrzędnych \vec{c}=\vec{j}=(0,1,0). wtedy mamy:

d_y=\vec{j}\cdot(\vec{a}\times\vec{b})=-\eta\begin{vmatrix}a_x&a_z\\b_x&b_z\end{vmatrix}
(3)

wyznaczmy jego współrzędne iloczynu wektorowego względem trzeciego wektora bazy kanonicznej układu współrzędnych \vec{c}=\vec{k}=(0,0,1). wtedy mamy:

d_z=\vec{k}\cdot(\vec{a}\times\vec{b})=\eta\begin{vmatrix}a_x&a_y\\b_x&b_y\end{vmatrix}
(4)

Jeśli weźmiemy \vec{d}=(d_x,d_y,d_z)\;, to układ trzech wektorów (\vec{d},\vec{a},\vec{b})\; jako nowy układ współrzędnych jest zgodny ze starym układem współrzędnym kartezjańskim, gdy wyznacznik macierzy przejścia ze starego układu współrzędnych no nowego spełnia warunek det(T) > 0. Zbudujmy macierz przejścia.

T=\begin{bmatrix}d_x&d_y&d_z\\a_x&a_y&a_z\\b_x&b_y&b_z\end{bmatrix}
(5)

Wykorzystując definicję wektora \vec{d}, które współrzędne są podane w punktach (2), (3) i (4), uzyskujemy wyznacznik macierzy T (5), którego zapis matematyczny wygląda następująco:

0<\det T=\begin{vmatrix}\eta\begin{vmatrix}a_y&a_z\\b_y&b_z\end{vmatrix}&-\eta\begin{vmatrix}a_x&a_z\\b_x&b_z\end{vmatrix}&\eta\begin{vmatrix}a_x&a_y\\b_x&b_y\end{vmatrix}\\a_x&a_y&a_z\\b_x&b_y&b_z\end{vmatrix}=\eta\left( \begin{vmatrix}a_y&a_z\\b_y&b_z\end{vmatrix}^2+\begin{vmatrix}a_x&a_z\\b_x&b_z\end{vmatrix}^2+\begin{vmatrix}a_x&a_y\\b_x&b_y\end{vmatrix}^2 \right)
(6)

Aby w naszej nowej bazie skrętność była zgodna ze skrętnością starego układu trójwymiarowego kartezjańskiego, musi zachodzić η = 1 wedle obliczeń (6).

Udowodniliśmy więc, że iloczyn wektorowy dwóch dowolnych wektorów jest dany tak, by jego definicja na podstawie wcześniejszych rozważa i η = 1 (obliczenia (6)) była napisana następująco;

\vec{a}\times\vec{b}=\vec{i}d_x+\vec{j}d_y+\vec{k}d_z=\vec{i}\begin{vmatrix}a_y&a_z\\b_y&b_z\end{vmatrix}-\vec{j}\begin{vmatrix}a_x&a_z\\b_x&b_z\end{vmatrix}+\vec{k}\begin{vmatrix}a_x&a_y\\b_x&b_y\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\a_x&a_y&a_z\\b_x&b_y&b_z\end{vmatrix}
(7)

Podwójny iloczyn wektorowy

Poniżej udowodniony zostanie wzór nazywany wzorem na podwójny iloczyn wektorowy: \vec{a}\times(\vec{b}\times\vec{c})=\vec{b}(\vec{a}\cdot\vec{c})-\vec{c}(\vec{a}\cdot\vec{b}) spełniony dla dowolnych \vec{a},\vec{b},\vec{c}\in R^3, czyli wektorów \vec a,\vec b,\vec c będących elementami przestrzeni trójwymiarowej.

Dowód

Dowód przeprowadzony będzie w oparciu o definicję iloczynu wektorowego i iloczynu skalarnego za pomocą współrzędnych wektorów wchodzących w skład podwójnego iloczynu wektorowego. Skorzystamy tu z nieformalnej definicji iloczynu wektorowego w przestrzeni trójwymiarowej jako macierzy, w której występują ortonormalne wersory .


\vec{a}\times(\vec{b}\times\vec{c})=\vec{a}\times\begin{vmatrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\b_x&b_y&b_z\\c_x&c_y&c_z\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\a_x&a_y&a_z\\\begin{vmatrix}b_y&b_z\\c_y&c_z\\\end{vmatrix}&\begin{vmatrix}b_z&b_x\\c_z&c_x\\\end{vmatrix}&\begin{vmatrix}b_x&b_y\\c_x&c_y\end{vmatrix}\end{vmatrix}=
=\begin{vmatrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\a_x&a_y&a_z\\b_yc_z-b_zc_y&b_zc_x-b_xc_z&b_xc_y-b_yc_x\end{vmatrix}=
=\vec{i}[a_y(b_xc_y-b_yc_x)-a_z(b_zc_x-b_xc_z)]+\vec{j}[a_z(b_yc_z-b_zc_y)-a_x(b_xc_y-b_yc_x)]+
+\vec{k} [a_x(b_zc_x-b_xc_z)-a_y(b_yc_z-b_zc_y)]=\vec{i}(b_x a_yc_y-c_x a_yb_y-c_x a_zb_z+b_x a_zc_z)+
+\vec{j}(b_y a_zc_z-c_ya_zb_z-c_ya_xb_x+b_ya_xc_x)+\vec{k}(b_za_xc_x-c_za_xb_x-c_za_yb_y+b_za_yc_y)=
=\vec{i} b_x(a_xc_x+a_yc_y+a_zc_z)-\vec{i}c_x(a_xc_x+a_yb_y+a_zb_z)+\vec{j} c_y(a_zb_z+a_yb_y+a_xb_x)+
-\vec{j}b_y(a_zc_z+a_xc_x+b_ya_xc_x)+\vec{k}b_z(a_xc_x+c_ya_y+a_yc_y)-\vec{k}c_z(a_xb_x+a_yb_y+a_zb_z)=
=(\vec{i}b_x+\vec{j}b_y+\vec{k}b_z)(a_xc_x+a_yc_y+a_zc_z)-(\vec{i}c_x+\vec{j}c_y+\vec{k}c_z)(a_xc_x+a_yb_y+a_zb_z)=\vec{b}\left(\vec{a}\cdot\vec{c}\right)-\vec{c}\left(\vec{a}\cdot\vec{b}\right)

Co kończy dowód.

Własności

  • Iloczyn dwóch takich samych wektorów jest wektorem zerowym, ponieważ są one liniowo zależne w trywialny sposób.
  • Iloczyn wektorowy jest antyprzemienny (w szczególności nie jest przemienny ). Dokładniej: iloczyn wektorowy zmienia zwrot po zamianie kolejności dowolnych dwóch argumentów:\alpha\times\beta =-(\beta \times\alpha).
  • Iloczyn wektorowy nie jest łączny, ale \alpha\times(\beta \times\gamma) + \beta \times(\gamma\times\alpha) + \gamma\times(\alpha\times\beta ) = 0 (w przestrzeni 3-wymiarowej).
  • Iloczyn wektorowy danych wektorów nie zmieni się, jeśli do danego pierwszego wektora dodamy dowolną wielokrotność drugiego danego wektora lub odwrotnie,np:
(\alpha+\lambda\beta )\times\beta =\alpha\times\beta +\lambda\beta \times\beta =\alpha\times\beta

Jeżeli weźmiemy dwa wektory, tzn. \alpha=[a_x,\,a_y,\,a_z] i \beta =[b_x,\,b_y,\,b_z], to ich iloczyn wektorowy można wyliczyć przy pomocy następującego wzoru mnemotechnicznego (nie jest on formalnie poprawny ponieważ elementami macierzy nie mogą być jednocześnie liczby i wektory):

\alpha \times \beta  =\begin{vmatrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\a_x&a_y&a_z\\b_x&b_y&b_z\end{vmatrix}=[a_yb_z-a_zb_y, \,-a_xb_z+a_zb_x, \,a_xb_y-a_yb_x]
  • długość wektora wynikowego jest równa iloczynowi wartości obu wektorów wyjściowych pomnożonego przez sinus kąta między nimi zawartego:
|\alpha\times \beta|=|\alpha| \cdot |\beta | \cdot \sin(\alpha,\beta ),

Wektor normalny a prostopadłość

Dane są 3 wektory:

\mathbf {\overrightarrow{v_1}} = \begin{bmatrix} x_1, & y_1, & z_1 \end{bmatrix}
\mathbf {\overrightarrow{v_2}} = \begin{bmatrix} x_2, & y_2, & z_2 \end{bmatrix}
\mathbf {\overrightarrow{v}} = \begin{bmatrix} x, & y, & z \end{bmatrix}

Zakładamy, że wektory \overrightarrow{v_1} i \overrightarrow{v_2} są prostopadłe do wektora \overrightarrow{v}. Wynika więc stąd, że pomiędzy wektorem \overrightarrow{v_1} a \overrightarrow{v} oraz pomiędzy \overrightarrow{v_2} a \overrightarrow{v} nawiązuje się relacja prostopadłości :

\begin{cases}\begin{matrix}xx_1+yy_1+zz_1 = 0\\xx_2+yy_2+zz_2 = 0\end{matrix}\end{cases}

Ponieważ jest to układ dwóch równań z trzema niewiadomymi , potraktujemy niewiadomą z\, jako pewną daną, zaś wyrazy zz_1\, i zz_2\, - jako wyrazy wolne , po czym przeniesiemy je na drugą stronę powyższych równań, zmieniając przy tym oczywiście ich znaki na przeciwne:

\begin{cases}\begin{matrix}xx_1+yy_1 = -zz_1\\xx_2+yy_2 = -zz_2\end{matrix}\end{cases}

Następnie, korzystając ze wzorów Cramera , wyznaczamy wartości niewiadomych x\, i y\,, w zależności od wartości niewiadomej z\,:

W=\left|\begin{array}{cc}x_1 & y_1\\x_2 & y_2\end{array}\right|
W_x=\left|\begin{array}{cc}-zz_1 & y_1\\-zz_2 & y_2\end{array}\right|
W_y=\left|\begin{array}{cc}x_1 & -zz_1\\x_2 & -zz_2\end{array}\right|

Powołując się na jedną z własności wyznacznika, z W_x\, i W_y\, możemy wyciągnąć przed nawias wyrażenie -z\,:

W_x=-z\left|\begin{array}{cc}z_1 & y_1\\z_2 & y_2\end{array}\right|
W_y=-z\left|\begin{array}{cc}x_1 & z_1\\x_2 & z_2\end{array}\right|

Powołując się na kolejną własność wyznacznika, w W_x\, możemy zamienić miejscami kolumny, zmieniając przy tym znak na przeciwny:

W_x=z\left|\begin{array}{cc}y_1 & z_1\\y_2 & z_2\end{array}\right|

Na końcu otrzymujemy:

\begin{cases}\begin{matrix}x=\frac {W_x} W=z \cdot \frac {\left|\begin{array}{cc}y_1 & z_1\\y_2 & z_2\end{array}\right|}{\left|\begin{array}{cc}x_1 & y_1\\x_2 & y_2\end{array}\right|}\\\\y=\frac {W_y} W=-z \cdot \frac {\left|\begin{array}{cc}x_1 & z_1\\x_2 & z_2\end{array}\right|}{\left|\begin{array}{cc}x_1 & y_1\\x_2 & y_2\end{array}\right|}\end{matrix}\end{cases}

Zauważmy, że wyrażenia x\, i y\, mają wspólny mianownik równy \left|\begin{array}{cc}x_1 & y_1\\x_2 & y_2\end{array}\right|. Załóżmy więc, że:

z=\left|\begin{array}{cc}x_1 & y_1\\x_2 & y_2\end{array}\right|

Wówczas wyrażenia x\,, y\, i z\, przedstawiają się następująco:

\begin{cases}\begin{matrix}x=\left|\begin{array}{cc}y_1 & z_1\\y_2 & z_2\end{array}\right|\\\\y=-\left|\begin{array}{cc}x_1 & z_1\\x_2 & z_2\end{array}\right|\\\\z=\left|\begin{array}{cc}x_1 & y_1\\x_2 & y_2\end{array}\right|\end{matrix}\end{cases}

Ostatecznie, otrzymaliśmy składowe wektora normalnego \overrightarrow{v}, będącego iloczynem wektorowym wektorów \overrightarrow{v_1} i \overrightarrow{v_2}, tak więc prawdziwy jest wzór:

\overrightarrow{v_1}\times \overrightarrow{v_2}=\overrightarrow{v}

Uogólnienie - iloczyn wektorialny

Niech V będzie n\,-wymiarową przestrzenią euklidesową o zadanej orientacji . Iloczynem wektorowym wektorów \alpha_1,\ldots, \alpha_{n-1}\in V nazywamy wektor \beta\in V taki, że

  1. Jeśli \alpha_1,\ldots, \alpha_{n-1}liniowo zależne , to \beta\, jest wektorem zerowym.
  2. Jeśli \alpha_1,\ldots, \alpha_{n-1}liniowo niezależne , to

Działanie to oznaczamy \alpha_1\times\ldots\times \alpha_{n-1} lub \times (\alpha_1, \ldots, \alpha_{n-1})

Interpretacja geometryczna

W przestrzeni n\,-wymiarowej, długość wektora otrzymanego jako iloczyn wektorowy danych n − 1 wektorów jest równa objętości równoległościanu rozpiętego na tych wektorach (otrzymujemy wektor zerowy, gdy dane wektory są liniowo zależne). Ponadto wektor wynikowy jest prostopadły do wszystkich danych wektorów i jest zorientowany tak, że baza oparta na danych wektorach i wektorze wynikowym jest dodatnio zorientowana.

W przestrzeni trójwymiarowej, długość iloczynu wektorowego jest równa iloczynowi długości pierwszego wektora i długości rzutu drugiego wektora na kierunek prostopadły do pierwszego wektora, czyli polu równoległoboku na nich rozpiętego. Wektor zerowy otrzymamy, gdy jeden z danych wektorów jest zerowy lub gdy dane wektory są równoległe.

Bibliografia

  • I.N. Bronsztejn: K.A.Siemiendiawjew Matematyka Poradnik encyklopedyczny - PWN Warszawa 1996

Zobacz też


Inne hasła zawierające informacje o "Iloczyn wektorowy":

Iloczyn Matematyka:iloczyn – wynik mnożenia , iloczyn nieskończony – uogólnienie powyższego, iloczyn logiczny , iloczyn zbiorów , iloczyn kartezjański , iloczyny grup , iloczyn skalarny , Iloczyn wektorowy , iloczyn mieszany wektorów.Chemia: iloczyn jonowy iloczyn rozpuszczalności Zobacz też produkt ...

Nadciśnienie tętnicze ...

Dyspersja (optyka) ...

Algebra Boole'a ...

Aksjomat wyboru ...

Energia elektryczna ...

Parzystość liczb ...

Liczba pierwsza ...

Zasada nieoznaczoności ...

Werner Heisenberg ...


Inne lekcje zawierające informacje o "Iloczyn wektorowy":

Potęgi (plansza 8) ...

Zaokrąglanie liczb (plansza 8) ...

Zaokrąglanie liczb (plansza 9) ...





Zachodniopomorskie Pomorskie Warmińsko-Mazurskie Podlaskie Mazowieckie Lubelskie Kujawsko-Pomorskie Wielkopolskie Lubuskie Łódzkie Świętokrzyskie Podkarpackie Małopolskie Śląskie Opolskie Dolnośląskie