Мешовит производ вектора – примери 1

Компланарност тачака и вектора. Решени задаци.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији.

Пр.1)   Приказати да тачке A,B,CA,B,C и DD припадају истој равни. A(2,−1,−2),B(1,2,1)C(2,3,0)D(5,0,−6)A\left( {2, - 1, - 2} \right),B\left( {1,2,1} \right)C\left( {2,3,0} \right)D\left( {5,0, - 6} \right)

Пр.2)   Одредити xx тако да вектори a→,b→\overrightarrow a ,\overrightarrow b и c→\overrightarrow c буду компланарни. a→(1n(x−2),−2,6),b→(x,−2,5),c→(0,−1,3)\overrightarrow a \left( {1n\left( {x - 2} \right), - 2,6} \right),\overrightarrow b \left( {x, - 2,5} \right),\overrightarrow c \left( {0, - 1,3} \right)

Пр.3) Израчунати запремину паралелопипеда конструисаног над векторима: a→(4,5,−3),b→(1,−2,1),c→(1,1,1)\overrightarrow a (4,5, - 3),\overrightarrow b (1, - 2,1),\overrightarrow c (1,1,1).


Пр.1) 

397 png

AB→=B−A=(−1,3,3)AC→=C−A=(0,4,2)AD→=D−A=(3,1,−4)[AB→,AC→,AD→]=∣−13304231−4∣−103341=16+18+0−36+2−0=0\begin{aligned}&\overrightarrow {AB} = B - A = \left( { - 1,3,3} \right) \\ &\overrightarrow {AC} = C - A = \left( {0,4,2} \right) \\ &\overrightarrow {AD} = D - A = \left( {3,1, - 4} \right) \\ & \\ &\left[ {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ,\overrightarrow {AD} } \right] = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} { - 1}&3&3 \\ 0&4&2 \\ 3&1&{ - 4} \end{array}} \right|\begin{array}{cccccccccccccccccccc} { - 1} \\ 0 \\ 3 \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {} \\ {} \\ {} \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 3 \\ 4 \\ 1 \end{array} = 16 + 18 + 0 - 36 + 2 - 0 = 0\end{aligned}

Tачке A,B,CA,B,C и DD су компланарне.

Пр.2)

[a→,b→,c→]=∣1n(x−2)−26x−250−13∣1n(x−2)x0−2−2−1=0−61n(x−2)+0−6x−0+51n(x−2)+6x=0−1n(x−2)=0x−2=1x=3\begin{aligned}&\left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b ,\overrightarrow c } \right] = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {1n\left( {x - 2} \right)}&{ - 2}&6 \\ x&{ - 2}&5 \\ 0&{ - 1}&3 \end{array}} \right|\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {1n\left( {x - 2} \right)} \\ x \\ 0 \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {} \\ {} \\ {} \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} { - 2} \\ { - 2} \\ { - 1} \end{array} = 0 \\ & \\ &- 61n\left( {x - 2} \right) + 0 - 6x - 0 + 51n\left( {x - 2} \right) + 6x = 0 \\ &- 1n\left( {x - 2} \right) = 0 \\ &x - 2 = 1 \\ &x = 3\end{aligned}

Пр.3)

V=∣[a→,b→,c→]∣[a→,b→,c→]=∣45−31−21111∣=1⋅∣5−3−21∣−1⋅∣4−311∣+1⋅∣451−2∣==5−6−(4+3)+(−8−5)=−1−7−13=−21V=21\begin{aligned}&V = \left| {\left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b ,\overrightarrow c } \right]} \right| \\ &\left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b ,\overrightarrow c } \right] = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 4&5&{ - 3} \\ 1&{ - 2}&1 \\ 1&1&1 \end{array}} \right| = 1 \cdot \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 5&{ - 3} \\ { - 2}&1 \end{array}} \right| - 1 \cdot \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 4&{ - 3} \\ 1&1 \end{array}} \right| + 1 \cdot \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 4&5 \\ 1&{ - 2} \end{array}} \right| = \\ &= 5 - 6 - \left( {4 + 3} \right) + \left( { - 8 - 5} \right) = - 1 - 7 - 13 = - 21 \\ &V = 21\end{aligned}

Четири тачке AA, BB, CC и DD леже у истој равни ако и само ако су вектори AB→\overrightarrow{AB}, AC→\overrightarrow{AC} и AD→\overrightarrow{AD} компланарни, тј. ако је [AB→,AC→,AD→]=0[\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AD}] = 0. Поступак: израчунајте три вектора из истог темена, упишите их као врсте детерминанте и израчунајте је Сарусовим правилом или развојем по првој врсти.

Ако вектор садржи параметар, услов компланарности даје једначину: детерминанту изједначите са нулом и решите је по параметру. Кад вектори нису компланарни, ∣[a→,b→,c→]∣|[\overrightarrow{a}, \overrightarrow{b}, \overrightarrow{c}]| је запремина паралелепипеда над њима; ако је резултат негативан, запремина је његова апсолутна вредност. Пазите да сва три вектора крећу из исте тачке и да код Сарусовог правила не погрешите знак производа на споредним дијагоналама.

xyzABDCABD2424Превуците да окренете
4 cm
[AB, AC, AD] у cm³
6000
Раван ABD изнад пода у тачки C
1 cm
Ово је сто из примера: дужина и ширина су у корацима од 20 cm, а висине у центиметрима, да би се неравнине виделе. Мешовити производ је нула тачно кад тачка CC падне у раван ABDABD, на висини од 5 cm; на 4 cm, као у примеру, испод ноге CC недостаје 1 cm.

Програми за пројектовање и 3D графику овим тестом проверавају да ли четири темена једне површи леже у равни, на пример да ли се четвороугаони део може исећи из равне плоче. Исти рачун служи кад се из измерених тачака проверава да ли је под или плоча равна.

Сто на неравној тераси

Сто са четири ноге стоји на тераси која није сасвим равна. Мајстор је у центиметрима измерио тачке пода испод ногу: A(0,0,0)A(0, 0, 0), B(100,0,2)B(100, 0, 2), C(100,60,4)C(100, 60, 4) и D(0,60,3)D(0, 60, 3), где оса zz иде навише. Сто стоји мирно само ако су ове четири тачке у једној равни. Да ли сто клима и колико треба подметнути испод ноге CC ако сто стоји на ногама AA, BB и DD?

Решење

  1. Вектори из темена AA: AB→=(100,0,2)\overrightarrow{AB} = (100, 0, 2), AC→=(100,60,4)\overrightarrow{AC} = (100, 60, 4) и AD→=(0,60,3)\overrightarrow{AD} = (0, 60, 3).
  2. Сарусово правило: [AB→,AC→,AD→]=100⋅60⋅3+0+2⋅100⋅60−0−100⋅4⋅60−0=6000[\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AD}] = 100 \cdot 60 \cdot 3 + 0 + 2 \cdot 100 \cdot 60 - 0 - 100 \cdot 4 \cdot 60 - 0 = 6000.
  3. Производ није нула, па тачке нису у једној равни: сто стоји на три ноге и клима.
  4. Тачка (100,60,z)(100, 60, z) лежи у равни ABDABD ако је [AB→,(100,60,z),AD→]=18 000+12 000−6000z=0[\overrightarrow{AB}, (100, 60, z), \overrightarrow{AD}] = 18\,000 + 12\,000 - 6000z = 0, дакле за z=5z = 5.
  5. Под испод ноге CC је на 4 cm, а требало би да буде на 5 cm, па разлика износи 1 cm.

Одговор: Сто клима, јер тачке нису компланарне; испод ноге CC треба подметнути 1 cm.

Задатак за вежбу

Одредите xx тако да вектори a→=(1,x,2)\overrightarrow{a} = (1, x, 2), b→=(2,1,−1)\overrightarrow{b} = (2, 1, -1) и c→=(3,4,1)\overrightarrow{c} = (3, 4, 1) буду компланарни.

Прикажи решење

Развој по првој врсти: 1⋅(1+4)−x⋅(2+3)+2⋅(8−3)=15−5x1 \cdot (1 + 4) - x \cdot (2 + 3) + 2 \cdot (8 - 3) = 15 - 5x. Из 15−5x=015 - 5x = 0 следи x=3x = 3.