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知识点九:三矢量的混合积


在研究两个矢量的数量积的基础上,现在我们来研究三个矢量的乘积。

如果我们先把矢量作出数量积,然后再和第三个矢量相乘,那么得到与矢量共线的矢量,因此这样相乘的情况,不必再讨论。

如果我们先把矢量作出矢量积,那么这个矢量还可以与第三个矢量再作数量积或矢量积,在前一种情形,我们得到,在后一种情形,我们得到。在这一节我们先计论的性质。

定义1  给定空间的三个矢量,如果先做前两个矢量的矢量积,再做所得的矢量与第三个矢量的数量积,最后得到的这个数称为三矢量的混合积,记作

混合积具有下列性质:

定理1  三个不共面矢量的混合积的绝对值等于以为棱的平行六面体的体积,并且当构成右手系时混合积是正数;当构成左手系时,混合积是负数,也就是有,当是右手系时;当是左手系时

 由于三矢量不共面,把它们归结到共同的始点可以构成以为棱的平行六面体(图1-43),它的底面是以为边的平行四边形,面积为,它的高,它的体积为

根据数量积定义,                   (1)

其中的夹角。

成右手系时,,因而由(1)得

成左手系时,

因而由(1)得

定理2  三矢量共面的充要条件是

  当共线,即时,或时,显然共面且又有。下面假设不共线,且,我们来证明定理也成立。

如果,即,则,另一方面据矢量积的定义知,所以三矢量共面。

反过来,如果共面,那么据,于是,即

定理3  轮换混合积的三个因子,并不改变它的值,对调任何两个因子要改变乘积的符号,即

         (1.9-2)

  当共面时,定理显然成立;当不共面时,轮换因子或对调因子,混合积的绝对值都等于以为棱平行六面体的体积(定理1)。又因为轮换的顺序时,决不会把右手系变为左手系,也不会把左手系变为右手系,因而混合积不变,而当对调任意两个因子的位置时,就将右手系变成左手系,或将左手系变成右手系,所以这时混合积要改变符号。

推论1                    (1.9.3)

例1  设三矢量满足,试证三矢量共面。

两边与作数量积

所以,因而共面。

下面在右手直角坐标系下,我们用矢量的分量表示三个矢量的混合积。

定理4  若,那么

             (1.9-4)

  因为

根据数量积的分量表示法,得

所以(1.9-4)成立

根据定理2,从(1.9-4)式,立即可得:

三个矢量,共面的充要条件是

例2  已知四面体的顶点坐标,求它的体积。

  由初等几何知道,四面体的体积等于以为棱的平行六面体积的六分之一,因此;

所以

从而

例3 设为三个不共面的矢量,求矢量对于的分解式。

  因为不共面,所以

为了要决定的值,可在等式两边分别与矢量作数量积,即在等式两边分别与作混合积,那么有

所以

因为不共面,所以,因此

同理可求得的值为

如果取直角坐标系,并设的分量分别为

将这些分量代入上面的的分解式与的表达式,那么容易看出,上面的解法就是解线性方程组

的克莱姆(Cramer)法则。