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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。
如果我们先把矢量和
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
与
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
或
或
。
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
。
证 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)
其中是
和
的夹角。
当成右手系时,
,因而由(1)得
。
当成左手系时,
因而由(1)得
定理2 三矢量共面的充要条件是
。
证 当与
共线,即
时,或
时,显然
共面且又有
。下面假设
与
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
知
,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)
证 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)
证
例1 设三矢量满足
,试证三矢量
共面。
证 将两边与
作数量积
得
而
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)
证 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。
解 由初等几何知道,四面体的体积
等于以
和
为棱的平行六面体积的六分之一,因此;
但,
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。
解 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
而,
所以,
因为不共面,所以
,因此
,
同理可求得与
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
对
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。