9 Vektoren

9.7 Mehrfachprodukte

9.7.1 Spatprodukt

Die einfachste und wichtigste Art, drei Vektoren math formula, math formula und math formula (jeweils mit Summenkonvention!) miteinander zu multiplizieren ist das Skalarprodukt eines Vektorprodukts mit einem dritten Vektor, das sogenannte

Spatprodukt: math formula



Dabei haben wir zunächst die Definitionen der beiden Produkte hingeschrieben, dann die Determinantendarstellung für das Levi-Civita-Symbol eingesetzt und vor der Ausführung der drei Summationen verwendet, dass die Determinante, wie wir früher gelernt haben, reihenweise homogen ist. Entsprechend den Umformungsmöglichkeiten der Determinanten sind weitere Formulierungen möglich, insbesondere durch zyklische Permutation und Spiegelung an der Hauptdiagonalen, d.h. die Komponenten der drei Vektoren können statt in die Zeilen auch in die Spalten der Determinante eingetragen werden.

Dieser Vielfalt der Möglichkeiten bei der Formulierung der Determinanten entsprechen viele Identitäten in den Darstellungen ein und desselben Spatprodukts in der konventionellen Form:

math formula


Wegen des Kommutativgesetzes des Skalarprodukts können darüber hinaus die beiden Malzeichen vertauscht und deshalb überhaupt weggelassen werden:

math formula


Die Antikommutativität des Vektorprodukts führt zu folgenden Relationen:

math formula


Die Auswertung der Determinante ergibt eine reelle Zahl:

math formula


Zur geometrischen Deutung, betrachten wir die nächste Abbildung:

math formula
Bild 9.27: Zum Spatprodukt

Das Vektorprodukt math formula ergibt einen Vektor mit einer Länge von der Größe der Parallelogrammfläche math formula und der Richtung von math formula, also senkrecht auf dem von math formula und math formula aufgespannten Parallelogramm. Auf die Richtung dieses Einheitsvektors math formula wird nun der dritte Vektor math formula projiziert. Die Länge dieser Projektion math formula ergibt die Höhe eines Spats (: Parallelepipeds) über der Grundfläche math formula, dessen Volumeninhalt (allerdings mit Vorzeichen!) den Zahlenwert des Spatprodukts bedeutet. Je nach der Numerierung der drei Vektoren ist der Volumeninhalt mit einem Vorzeichen zu versehen.

Falls beide Winkel kleiner als math formula sind und die Vektoren in der angegebenen Reihenfolge eine Rechtsschraube bilden, ist der Volumeninhalt positiv zu nehmen. Betrachten Sie zum Beispiel den ersten Einheitsvektor math formula, den Einheitsvektor math formula in der 1-2-Ebene, der mit math formula den Winkel math formula bildet, und den Vektor math formula, der in der 1-3-Ebene mit math formula den Winkel math formula einschließt, so wird das Spatprodukt math formula etwa gleich math formula für math formula und math formula, während math formula.

Der Volumeninhalt ist gleich math formula, wenn die drei Faktorvektoren komplanar, also linear abhängig sind, insbesondere wenn zwei der drei Faktoren gleich sind. Umgekehrt kann man vom Verschwinden der Determinante mit drei Vektoren als Zeilen- oder Spaltenvektoren auf deren lineare Abhängigkeit schließen.

Aufgabe 9.39: Lineare Abhängigkeit

Sind die Vektoren math formula, math formula und math formula linear unabhängig? Lösung



Speziell für die Basisvektoren erhalten wir eine äußerst prägnante Formulierung für die Orthonormalität und Kennzeichnung eines Rechtssystems in einer einzigen Gleichung, die andererseits auch das Levi-Civita-Symbol durch die Basisvektoren darstellt:

math formula


Speziell gilt math formula, der Volumeninhalt des Einheitswürfels.

Aufgabe 9.40: Spatprodukt

Berechnen Sie folgende Spatprodukte:

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




Aufgabe 9.41: Anwendungen des Spatprodukts

a)      Berechnen Sie das Volumen des von folgenden drei Vektoren aufgespannten Parallelepipeds: math formula math formula und math formula. Lösung
b)      Berechnen Sie das Volumen der von den folgenden drei Vektoren gebildeten Dreiecks-Pyramide: math formula, math formula und math formula. Lösung
c)      Berechnen Sie mit Hilfe des Spatprodukts das Volumen eines Tetraeders der Kantenlänge math formula, nachdem Sie ihn in einen Würfel eingebettet haben. Lösung
d)      Wie hängt das von folgenden drei Vektoren aufgespannte Spatvolumen von der reellen Zahl math formula ab: math formula, math formula und math formula? Warum? Lösung
e)      Wie lautet die Gleichung der Ebene durch die drei Punkte mit folgenden Ortsvektoren: math formula, math formula und math formula. Lösung




Einschub: Zwei Levi-Civita-Symbole


Aufgabe 9.42:

a)      Drücken Sie das Levi-Civita-Symbol durch Kronecker-Symbole aus. Lösung
b)      Drücken Sie das Kronecker-Symbol durch Levi-Civita-Symbole aus. Lösung
c)      Drücken Sie das Levi-Civita-Symbol durch die Einheitsvektoren aus. Lösung
d)      Drücken Sie das Kronecker-Symbol durch die Einheitsvektoren aus. Lösung