9 Векторы

9.7 Сложное произведение: Два символа Леви-Чивиты

9.7.1 Смешанное произведение векторов: Два символа Леви-Чивиты

Самым простым и главным способом перемножить между собой три вектора math formula, math formula и math formula (по соглашению Эйнштейна о суммировании, соответственно) является скалярное произведение векторного произведения с третьим вектором, так называемое

Смешанное произведение векторов: math formula


Мы сначала записали здесь определение обоих произведений, а затем подставили представление через детерминант для символа Леви-Чивиты и применили его перед операцией сложения, поскольку детерминант, как мы уже видели ранее, является однородной функцией по рядам. Благодаря симметриям детерминанта, возможно получит другие представления данной формулы, например, посредством циклической перестановки и отображения относительно главной диагонали, т.е., например, составляющие трех векторов могут быть занесены не в строки, а в столбцы детерминанта.

Данному разнообразию возможностей представления детерминанта соответствуют тождественные представления одного и того же смешанного произведения векторов в общепринятой форме:

math formula

Благодаря коммутативности скалярного произведения, оба знака умножения могут быть заменены и поэтому, они могут быть вообще опущены:

math formula

Антикоммутативность векторного произведения приводит к следующим соотношениям:

math formula

Вычисление детерминанта дает в итоге вещественное число:

math formula

Для геометрическй интерпретации, рассмотрим следующее изображение:

math formula
Рисунок 9.27: Смешанное произведение векторов

Векторное произведение math formula дает вектор с длиной равной площади параллелограмма math formula и направления math formula, т.е., расположенный перпендикулярно параллелограмму, построенному на math formula и math formula. На направление этого единичного вектора math formula спроецирован третий вектор math formula. Длина данной проекции math formula дает высоту параллелепипеда над плоскостью основания math formula, объем которого (разумеется со знаком!) равен численному значению смешанного произведения векторов. В зависимости от порядка, в котором перемножаются три вектора, объем равен смешанному произведению, взятому с определенным знаком.

В случае, если оба угла меньше math formula и векторы в заданном порядке образуют правый винт, то смешанное произведение имеет положительный знак. Рассмотрите, например, первый единичный вектор math formula, второй единичный вектор math formula в плоскости 1-2, который образует с math formula угол math formula, и вектор math formula, который в плоскости 1-3 составляет угол math formula с math formula, таким образом смешанное произведение векторов будет math formula, т.е., например, math formula для math formula и math formula, в то время как math formula.

Объем равен math formula, если три вектора-сомножителя являются компланарными, т.е. линейно зависимыми, например, когда два из трех векторов равны. Наоборот, из условия равенства нулю детерминанта с тремя векторами в виде векторов-строк или векторов-столбцов, можно прийти к их линейной зависимости.

Задание 9.39: Линейная зависимость

Являются ли векторы math formula, math formula и math formula линейно зависимыми? Ответ


В частности, для базисных векторов мы получаем особенно четкую формулировку для ортонормальности и обозначения правой системы координат в одном единственном уравнении, которое посредством базисных векторов представляет также символ Леви-Чивиты:

math formula

В частности, имеет math formula - объем единичного куба.

Задание 9.40: смешанное произведение векторов

Рассчитайте следующие смешанные произведения векторов:

a)      math formula Ответ
b)      math formula Ответ
c)      math formula Ответ
d)      math formula Ответ
e)      math formula Ответ


Задание 9.41: Применение смешанного произведения векторов

a)      Рассчитайте объем параллелепипеда, построенного на следующих трех векторах: math formula math formula и math formula. Ответ
b)      Рассчитайте объем треугольной пирамиды, построенной на следующих трех векторах: math formula, math formula и math formula. Ответ
c)      Рассчитайте при помощи смешанного произведения векторов объем тетраэдра с длиной ребра math formula, но сначала вложите тетраэдр в куб. Ответ
d)      Как объем параллелепипеда, построенного на следующих трех векторах, зависит от вещественного числа math formula: math formula, math formula и math formula? Почему? Ответ
e)      Как выглядит уравнение плоскости, проходящей через три точки, имеющее следующие радиус-векторы: math formula, math formula и math formula. Ответ


Дополнение: Два символа Леви-Чивиты

Задание 9.42:

a)      Выразите символ Леви-Чивиты посредством символов Кронекера. Ответ
b)      Выразите символ Кронекера при помощи символов Леви-Чивиты. Ответ
c)      Выразите символ Леви-Чивиты при помощи единичных векторов. Ответ
d)      Выразите символ Кронекера посредством единичных векторов. Ответ