РК1›Тема 6. Смешанное и двойное векторное произведение

6. Смешанное и двойное векторное произведение

лекции: §6 · вопросы РК: А18, А19, А20, А21, Б6, Б7, В3, Г4

РК: А18 (определение), А19 (перестановки), А20 (линейность), А21 (вычисление в правом ОНБ), Б6 (доказательство линейности), Б7 (вывод формулы); часть В.3 (двойное векторное произведение); дополнение из лекций: Г4 (геометрический смысл и критерий компланарности).

Суть

Смешанное произведение a⃗b⃗c⃗\vec a\vec b\vec c — число, по модулю равное объёму параллелепипеда на трёх векторах, со знаком «++» для правой тройки и «−-» для левой. Нуль означает компланарность. В координатах это определитель из координат векторов.

Определение (А18, опр. 6.1 лекций)

a⃗b⃗c⃗=(a⃗×b⃗)⋅c⃗.\vec a\vec b\vec c=(\vec a\times\vec b)\cdot\vec c.
Другие обозначения: (a⃗,b⃗,c⃗)(\vec a,\vec b,\vec c), ⟨[a⃗;b⃗];c⃗⟩\langle[\vec a;\vec b];\vec c\rangle.

abcV = |a b c| = |(a × b)·c|

Геометрический смысл (лекции, геометрическое свойство 1): ∣a⃗×b⃗∣|\vec a\times\vec b| — площадь основания, Пр⁡a⃗×b⃗c⃗\operatorname{Пр}_{\vec a\times\vec b}\vec c — высота со знаком, поэтому
a⃗b⃗c⃗=±Vпар,Vпир=16∣a⃗b⃗c⃗∣.\vec a\vec b\vec c=\pm V_{\text{пар}},\qquad V_{\text{пир}}=\tfrac16|\vec a\vec b\vec c|.
Знак ++, если тройка (a⃗,b⃗,c⃗)(\vec a,\vec b,\vec c) правая, −- если левая, 00 если векторы компланарны.

Свойства

Перестановки (А19). Циклическая перестановка не меняет значения, перестановка двух сомножителей меняет знак:
a⃗b⃗c⃗=b⃗c⃗a⃗=c⃗a⃗b⃗=−b⃗a⃗c⃗=−c⃗b⃗a⃗=−a⃗c⃗b⃗.\vec a\vec b\vec c=\vec b\vec c\vec a=\vec c\vec a\vec b=-\vec b\vec a\vec c=-\vec c\vec b\vec a=-\vec a\vec c\vec b.
Следствие: (a⃗×b⃗)⋅c⃗=a⃗⋅(b⃗×c⃗)(\vec a\times\vec b)\cdot\vec c=\vec a\cdot(\vec b\times\vec c) — крестик и точку можно менять местами.

Линейность (А20) по каждому аргументу:
(a⃗1+a⃗2)b⃗c⃗=a⃗1b⃗c⃗+a⃗2b⃗c⃗,(λa⃗)b⃗c⃗=λ(a⃗b⃗c⃗).(\vec a_1+\vec a_2)\vec b\vec c=\vec a_1\vec b\vec c+\vec a_2\vec b\vec c,\qquad (\lambda\vec a)\vec b\vec c=\lambda(\vec a\vec b\vec c).

Доказательство линейности (Б6)

По определению и линейности векторного, затем скалярного произведения:

  1. (a⃗1+a⃗2)b⃗c⃗=((a⃗1+a⃗2)×b⃗)⋅c⃗=(a⃗1×b⃗+a⃗2×b⃗)⋅c⃗=(a⃗1×b⃗)⋅c⃗+(a⃗2×b⃗)⋅c⃗=a⃗1b⃗c⃗+a⃗2b⃗c⃗.(\vec a_1+\vec a_2)\vec b\vec c=\bigl((\vec a_1+\vec a_2)\times\vec b\bigr)\cdot\vec c=(\vec a_1\times\vec b+\vec a_2\times\vec b)\cdot\vec c=(\vec a_1\times\vec b)\cdot\vec c+(\vec a_2\times\vec b)\cdot\vec c=\vec a_1\vec b\vec c+\vec a_2\vec b\vec c.
  2. (λa⃗)b⃗c⃗=((λa⃗)×b⃗)⋅c⃗=(λ(a⃗×b⃗))⋅c⃗=λ((a⃗×b⃗)⋅c⃗)=λ(a⃗b⃗c⃗).(\lambda\vec a)\vec b\vec c=\bigl((\lambda\vec a)\times\vec b\bigr)\cdot\vec c=\bigl(\lambda(\vec a\times\vec b)\bigr)\cdot\vec c=\lambda\bigl((\vec a\times\vec b)\cdot\vec c\bigr)=\lambda(\vec a\vec b\vec c).

По остальным аргументам — через правило перестановок. ■\blacksquare

Другой способ (в лекциях предложено доказать самостоятельно): по формуле-определителю (А21) координаты a⃗\vec a стоят в первой строке, а определитель линеен по строке: ∣ka1ka2ka3…∣=k∣a1a2a3…∣\begin{vmatrix}ka_1&ka_2&ka_3\\\dots\end{vmatrix}=k\begin{vmatrix}a_1&a_2&a_3\\\dots\end{vmatrix}, и определитель с суммой строк равен сумме определителей.

Доказательство свойства объёма (лекции)

Если тройка некомпланарна, a⃗×b⃗≠0⃗\vec a\times\vec b\ne\vec 0 и
a⃗b⃗c⃗=(a⃗×b⃗)⋅c⃗=∣a⃗×b⃗∣⋅Пр⁡a⃗×b⃗c⃗=S⋅(±h)=±V.\vec a\vec b\vec c=(\vec a\times\vec b)\cdot\vec c=|\vec a\times\vec b|\cdot\operatorname{Пр}_{\vec a\times\vec b}\vec c=S\cdot(\pm h)=\pm V.
SS — площадь параллелограмма на a⃗,b⃗\vec a,\vec b (основание), hh — высота параллелепипеда. Проекция положительна, когда c⃗\vec c и a⃗×b⃗\vec a\times\vec b лежат по одну сторону от плоскости a⃗,b⃗\vec a,\vec b, то есть когда тройка (a⃗,b⃗,c⃗)(\vec a,\vec b,\vec c) правая. ■\blacksquare

Критерий компланарности (теорема 6.1 лекций): a⃗,b⃗,c⃗\vec a,\vec b,\vec c компланарны   ⟺  a⃗b⃗c⃗=0\iff\vec a\vec b\vec c=0.

Доказательство

⇒\Rightarrow Если a⃗∥b⃗\vec a\parallel\vec b, то a⃗×b⃗=0⃗\vec a\times\vec b=\vec 0 и произведение равно нулю. Иначе a⃗×b⃗\vec a\times\vec b перпендикулярен плоскости a⃗,b⃗\vec a,\vec b, а c⃗\vec c лежит в ней, поэтому (a⃗×b⃗)⋅c⃗=0(\vec a\times\vec b)\cdot\vec c=0.
⇐\Leftarrow Если (a⃗×b⃗)⋅c⃗=0(\vec a\times\vec b)\cdot\vec c=0, то либо a⃗×b⃗=0⃗\vec a\times\vec b=\vec 0 — тогда a⃗∥b⃗\vec a\parallel\vec b и тройка компланарна; либо c⃗⊥a⃗×b⃗\vec c\perp\vec a\times\vec b, то есть c⃗\vec c параллелен плоскости a⃗,b⃗\vec a,\vec b. ■\blacksquare

Вычисление в правом ОНБ (А21, теорема 6.2 лекций)

a⃗b⃗c⃗=∣xayazaxbybzbxcyczc∣.\vec a\vec b\vec c=\begin{vmatrix}x_a&y_a&z_a\\x_b&y_b&z_b\\x_c&y_c&z_c\end{vmatrix}.

Вывод (Б7)

a⃗b⃗c⃗=(a⃗×b⃗)⋅c⃗\vec a\vec b\vec c=(\vec a\times\vec b)\cdot\vec c. Координаты a⃗×b⃗\vec a\times\vec b (тема 5):
{ yazb−zayb, −(xazb−zaxb), xayb−yaxb }.\{\,y_az_b-z_ay_b,\ -(x_az_b-z_ax_b),\ x_ay_b-y_ax_b\,\}.
Скалярно умножаем на c⃗={xc,yc,zc}\vec c=\{x_c,y_c,z_c\} (тема 4):
xc(yazb−zayb)−yc(xazb−zaxb)+zc(xayb−yaxb).x_c(y_az_b-z_ay_b)-y_c(x_az_b-z_ax_b)+z_c(x_ay_b-y_ax_b).
Это разложение определителя 3×33\times3 по третьей строке (xc,yc,zc)(x_c,y_c,z_c). ■\blacksquare

Двойное векторное произведение (В.3)

u⃗×(v⃗×w⃗)=v⃗ (u⃗⋅w⃗)−w⃗ (u⃗⋅v⃗)(«бац минус цаб»).\vec u\times(\vec v\times\vec w)=\vec v\,(\vec u\cdot\vec w)-\vec w\,(\vec u\cdot\vec v)\qquad(\text{«бац минус цаб»}).
Мнемоника: средний вектор умножается на скалярное произведение крайних, минус третий — на скалярное произведение первых двух. Результат лежит в плоскости v⃗,w⃗\vec v,\vec w.

Тождество Якоби: u⃗×(v⃗×w⃗)+v⃗×(w⃗×u⃗)+w⃗×(u⃗×v⃗)=0⃗\vec u\times(\vec v\times\vec w)+\vec v\times(\vec w\times\vec u)+\vec w\times(\vec u\times\vec v)=\vec 0.

Формулу «бац минус цаб» оба присланных файла называют тождеством Лагранжа. Во многих учебниках тождеством Лагранжа называют другое: ∣a⃗×b⃗∣2=∣a⃗∣2∣b⃗∣2−(a⃗⋅b⃗)2|\vec a\times\vec b|^2=|\vec a|^2|\vec b|^2-(\vec a\cdot\vec b)^2. На РК используй название лектора, но если спросят про Лагранжа без формулы — уточни, о какой из двух речь.

Рабочие формулы

ЗадачаФормула
объём параллелепипедаV=∣a⃗b⃗c⃗∣V=|\vec a\vec b\vec c|
объём тетраэдра ABCDABCDV=16∣AB→ AC→ AD→∣V=\frac16|\overrightarrow{AB}\,\overrightarrow{AC}\,\overrightarrow{AD}|
высота тетраэдра из DDh=∣AB→ AC→ AD→∣∣AB→×AC→∣h=\dfrac{|\overrightarrow{AB}\,\overrightarrow{AC}\,\overrightarrow{AD}|}{|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}|}
четыре точки в одной плоскостиAB→ AC→ AD→=0\overrightarrow{AB}\,\overrightarrow{AC}\,\overrightarrow{AD}=0
ориентация тройкизнак a⃗b⃗c⃗\vec a\vec b\vec c

Пример. Объём тетраэдра A(0,0,0)A(0,0,0), B(2,0,0)B(2,0,0), C(0,3,0)C(0,3,0), D(1,1,4)D(1,1,4).

Решение

∣200030114∣=2⋅3⋅4=24,V=246=4.\begin{vmatrix}2&0&0\\0&3&0\\1&1&4\end{vmatrix}=2\cdot3\cdot4=24,\qquad V=\frac{24}6=4.

Типичные ошибки

  • Забыть множитель 16\frac16 для тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием).
  • Брать объём со знаком: объём — это модуль смешанного произведения.
  • В «бац минус цаб» перепутать, какой вектор стоит снаружи: u⃗×(v⃗×w⃗)\vec u\times(\vec v\times\vec w) лежит в плоскости внутренних v⃗,w⃗\vec v,\vec w.