plik


ÿþ2.3.1. Iloczyn skalarny Iloczynem skalarnym (skalarowym) dwóch wektorów a i b nazywamy skalar równy iloczynowi moduBów obu wektorów przez kosinus kta zawartego midzy nimi.· b ± O a Rys. 2.8. Ilustracja do definicji iloczynu skalarnego Je|eli kt midzy wektorami oznaczymy przez ± (rys. 2.8), a operacj mno|enia skalarnego przez a·b, to otrzymamy: aÅ" b = ab cos±. (2.11) Po uwzgldnieniu we wzorze (2.11) zale|no[ci (2.2) iloczyn skalarny mo|emy przedstawi jako iloczyn rzutu jednego wektora na kierunek drugiego i moduBu drugiego. aÅ" b = a b cos± = b a cos± = a Rza b = bRzb a . (2.12) ( ) ( ) ( ) ( ) Iloczyn skalarny jest równy zeru (poza przypadkami, gdy a = 0 lub b = 0), gdy cos = 0. Wynika std warunek prostopadBo[ci (ortogonalno[ci) dwóch wektorów: aÅ"b = 0, gdy a ¥"b. (2.13) Z faktu, |e funkcja kosinus jest funkcj parzyst [cos± = cos( ±)], wynika, |e do iloczynu skalarnego stosuje si prawo przemienno[ci: aÅ" b = bÅ" a . Iloczyn skalarny podlega równie| prawu rozdzielno[ci mno|enia skalarnego wzgldem dodawania: ( ) aÅ" b+ c = aÅ"b+ aÅ" c. Dowód tej wBasno[ci wynika bezpo[rednio z przytoczonego w poprzednim punkcie twierdzenia Charles a oraz z zale|no[ci (2.2): aÅ"(b+ c) = aRza(b+ c) = a[Rza(b)+ Rza(c)]= = aRza(b)+ aRza(c) = aÅ" b+ aÅ" c. Je|eli pomno|ymy równanie (2.11) przez dowolny skalar k, to otrzymamy prawo Bczno[ci mno|enia iloczynu skalarnego przez skalar: k(aÅ" b) = (ka)bcos± = a(kb)cos± = (k a)Å" b = aÅ"(k b). Wektor pomno|ony skalarnie przez siebie jest równy kwadratowi moduBu: aÅ" a = aacos0 = a2 . (2.14) Z podanych wy|ej rozwa|aD wynika, |e iloczyn skalarny  poza wzorem (2.13)  ma takie same wBasno[ci jak iloczyn algebraiczny liczb. Gdy mamy dowolny wektor a oraz o[ l okre[lon przez wektor jednostkowy el (rys. 2.3), to na podstawie równania (2.12) rzut tego wektora na o[ l wyra|a wzór: aÅ" el = acos± = Rzl(a). (2.15) Z zale|no[ci tej bdziemy czsto korzysta przy obliczaniu wspóBrzdnych wektora w danym ukBadzie wspóBrzdnych. Obecnie podamy zale|no[ci midzy wersorami i, j, k prostoktnego ukBadu wspóBrzdnych. Na podstawie wzorów (2.14) i (2.13) otrzymujemy: iÅ" i = jÅ" j = kÅ" k =1, «# (2.16) ¬# iÅ" j = jÅ" k = kÅ" i = 0.­# Gdy wektory a i b zapiszemy analitycznie za pomoc ich wspóBrzdnych w prostoktnym ukBadzie wspóBrzdnych x, y, z: a = a i+ a j+ a k, «# x y z (2.17) b = bx i+ by j+ bz k,¬# ­# to ich iloczyn skalarny na podstawie wzorów (2.16) mo|na wyrazi przez wspóBrzdne: aÅ"b = axbx + ayby + azbz. (2.18) Porównanie wzorów (2.11) i (2.18) pozwala obliczy kt midzy wektorami: a bx + a by + a bz x y z cos± = . (2.19) ab Z tego wzoru wynika, |e aby dwa wektory byBy ortogonalne, ich wspóBrzdne musz speBnia zale|no[: axbx + ayby + azbz = 0. (2.20) 2.3.2. Iloczyn wektorowy Iloczynem wektorowym a× b dwóch wektorów a i b nazywamy wektor c prostopadBy do pBaszczyzny utworzonej przez te wektory, którego moduB jest równy iloczynowi moduBów tych wektorów pomno|onemu przez sinus kta zawartego midzy nimi (rys. 2.9) c = a× b, «# (2.21) ¬# c = absin±.­# c = a x b b ± O a -c = b x a Rys. 2.9. Ilustracja iloczynu wektorowego Zwrot wektora c jest tak dobrany, |e wektory a, b, c tworz ukBad prawoskrtny, czyli zwrot wektora c okre[la reguBa [ruby prawoskrtnej. Z okre[lenia moduBu iloczynu wektorowego oraz z rys. 2.9 wynika, |e jest on równy polu równolegBoboku zbudowanego na wektorach a i b. Z definicji iloczynu wektorowego wynika, |e poza przypadkami, gdy a = 0 lub b = 0, jest on równy zeru, kiedy sin± = 0, czyli dla ± = 0 albo ± = À, co oznacza, i| wektor a jest równolegBy do wektora b. Zatem warunek równolegBo[ci ma posta: a× b = 0. (2.22) Je|eli w iloczynie wektorowym wektory a i b zamienimy miejscami, to wektory b, a, c bd tworzyBy ukBad lewoskrtny. Aby ponownie otrzyma ukBad prawoskrtny, nale|y zmieni zwrot wektora c na przeciwny, jak na rys. 2.9, czyli gdy a× b = c, to b× a = - c. Widzimy zatem, |e do iloczynu wektorowego nie stosuje si prawo przemienno[ci: a× b = -b× a. (2.23) Mo|na wykaza [6, 9], |e iloczyn wektorowy podlega prawu rozdzielno[ci mno|enia wektorowego wzgldem dodawania: a×(b+ d) = a× b+ a× d. (2.24) Do iloczynu wektorowego stosuje si równie| prawo Bczno[ci mno|enia przez dowolny skalar k: (ka)×b = a×(k b)= k(a×b). (2.25) Powy|sza równo[ wynika bezpo[rednio z porównania moduBów powy|szych iloczynów wektorowych. Iloczyny wektorowe wersorów i, j, k prostoktnego prawoskrtnego ukBadu wspóBrzdnych x, y, z wynikaj bezpo[rednio ze wzoru (2.22) oraz z definicji iloczynu wektorowego i× i = j× j = k× k = 0, «# ª# i× j = k, j× k = i, k× i = j, (2.26) ¬# j× i = - k, k× j = - i, i× k = - j.ª# ­# Obecnie wyrazimy iloczyn wektorowy dwóch dowolnych wektorów a i b za pomoc ich wspóBrzdnych w prostoktnym ukBadzie wspóBrzdnych x, y, z. Po podstawieniu zale|no[ci (2.17) do wzoru na iloczyn wektorowy mamy: c = a× b = (a i+ a j+ az k)×(bx i+ by j+ bz k). x y Po wykonaniu dziaBaD, wykorzystaniu zale|no[ci (2.26) oraz pogrupowaniu wyrazów przy poszczególnych wersorach powy|szy wzór przyjmie posta: c = (a bz - azby)i+ (azbx - a bz )j+(a by - a bx )k . (2.27) y x x y Wyra|enie po prawej stronie tego równania jest rozwiniciem wyznacznika i j k c = a a a . (2.28) x y z bx by bz W celu obliczenia wspóBrzdnych cx , cy , cz iloczynu wektorowego nale|y wektor c zapisany analitycznie: c = cx i+ cy j+ cz k podstawi do równania (2.27). Z porównania wyrazów przy tych samych wersorach otrzymamy: «# cx = (a bz - a by), y z ª# cy = (a bx - a bz ),¬# (2.29) z x cz = (a by - a bx ).ª# x y ­# 2.3.3. Iloczyny zBo|one trzech wektorów W poprzednich dwóch punktach omówili[my iloczyn skalarny oraz iloczyn wektorowy dwóch wektorów. Wektory te mogBy by w szczególno[ci sum kilku wektorów. Obecnie podamy okre[lenia iloczynów podwójnych zBo|onych z trzech wektorów. Bdzie to iloczyn mieszany trzech wektorów oraz podwójny iloczyn wektorowy trzech wektorów. Ograniczymy si przy tym tylko do okre[lenia tych iloczynów oraz podania podstawowych zale|no[ci niezbdnych do przeksztaBceD wzorów wektorowych w dalszych rozdziaBach. Dowody na podane ni|ej przeksztaBcenia mo|na znalez w literaturze [6, 9, 11]. Iloczynem mieszanym trzech wektorów a, b i c nazywamy iloczyn skalarny jednego z tych wektorów, np. wektora a, przez wektor bdcy iloczynem wektorowym dwóch pozostaBych: aÅ"(b× c). (2.30) Z podanej definicji wynika, |e iloczyn mieszany jest skalarem. W interpretacji geometrycznej iloczyn mieszany jest równy liczbowo objto[ci równolegBo[cianu zbudowanego na wektorach a, b i c. Z podanej interpretacji geometrycznej wynika, |e gdy wektory te le| w jednej pBaszczyznie, to iloczyn mieszany jest równy zeru. Warto[ iloczynu mieszanego nie ulega zmianie, je|eli w iloczynie tym bdziemy zmienia cyklicznie kolejno[ wyrazów: aÅ"(b× c)= bÅ"(c× a) = cÅ"(a× b). (2.31) Je|eli wektory wystpujce w iloczynie mieszanym przedstawimy analitycznie: a = a i+ a j+ a k, x y z b = bx i+ by j+ bz k, c = cx i+ cy j+ cz k, to iloczyn mieszany mo|na zapisa w postaci wyznacznika utworzonego ze wspóBrzdnych wektorów: a a a x y z aÅ"(b× c)= bx by bz . (2.32) cx cy cz Podwójny iloczyn wektorowy trzech wektorów a, b i c jest wektorem powstaBym w wyniku wektorowego pomno|enia wektora a przez iloczyn wektorowy wektora b i c: a×(b×c). (2.33) Powy|szy wzór mo|na rozwin do postaci bardziej przydatnej do przeksztaBceD wzorów wektorowych: a×(b× c) = b(aÅ"c)- c(aÅ"b). (2.34)

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
iloczyn wektorowy
Iloczyn skalarny wektorowy

więcej podobnych podstron