Мешовит производ вектора – примери 2

Израчунавање висине и запремине паралелопипеда помоћу мешовитог производа вектора. Решени задаци.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији.

Пр.4)   Одреди висину која одговара основи (a,→b→)\left( {\overrightarrow {a,} \overrightarrow b } \right) паралелопипеда конструисаног над векторима: a→=3i→+2j→−k→\overrightarrow a = 3\overrightarrow i + 2\overrightarrow j - \overrightarrow k, b→=2i→+j→−k→\overrightarrow b = 2\overrightarrow i + \overrightarrow j - \overrightarrow k, c→=i→−2j→+3k→\overrightarrow c = \overrightarrow i - 2\overrightarrow j + 3\overrightarrow k.

Пр.5)   Тачке A(2,3,1)A\left( {2,3,1} \right), B(4,1,−2)B\left( {4,1, - 2} \right), C(6,3,7)C\left( {6,3,7} \right), D(−5,−4,8)D\left( { - 5, - 4,8} \right) су темена пирамиде. Израчунати запремину те пирамиде и висину која

одговара темену DD.


Пр.4)  

398 png

a→=(3,2,−1)b→=(2,1,−1)c→=(1,−2,3)V=B⋅HV=∣[a→,b→,c→]∣=∣∣32−121−11−23∣32121−2∣=∣9−2+4+1−6−12∣=∣−6∣=6B=∣a→×b→∣a→×b→=∣i→j→k→32−121−1∣i→32j→21=−2i→−2j→+3k→−4k→+i→+3j→=−i→+j→−k→=(−1,1,−1)B=∣a→×b→∣=(−1)2+12+(−1)2=36=3H⇒H=63⋅33=23\begin{aligned}&\overrightarrow a = \left( {3,2, - 1} \right) \\ &\overrightarrow b = \left( {2,1, - 1} \right) \\ &\overrightarrow c = \left( {1, - 2,3} \right) \\ &V = B \cdot H \\ &V = \left| {\left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b ,\overrightarrow c } \right]} \right| = \left| {\left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 3&2&{ - 1} \\ 2&1&{ - 1} \\ 1&{ - 2}&3 \end{array}} \right|\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 3 \\ 2 \\ 1 \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {} \\ {} \\ {} \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 2 \\ 1 \\ { - 2} \end{array}} \right| = \left| {9 - 2 + 4 + 1 - 6 - 12} \right| = \left| { - 6} \right| = 6 \\ &B = \left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| \\ &\overrightarrow a \times \overrightarrow b = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {\overrightarrow i }&{\overrightarrow j }&{\overrightarrow k } \\ 3&2&{ - 1} \\ 2&1&{ - 1} \end{array}} \right|\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {\overrightarrow i } \\ 3 \\ 2 \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {} \\ {} \\ {} \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {\overrightarrow j } \\ 2 \\ 1 \end{array} = - 2\overrightarrow i - 2\overrightarrow j + 3\overrightarrow k - 4\overrightarrow k + \overrightarrow i + 3\overrightarrow j = - \overrightarrow i + \overrightarrow j - \overrightarrow k = \left( { - 1,1, - 1} \right) \\ &B = \left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = \sqrt {{{\left( { - 1} \right)}^2} + {1^2} + {{\left( { - 1} \right)}^2}} = \sqrt 3 \\ &6 = \sqrt 3 H \Rightarrow H = \frac{6}{{\sqrt 3 }} \cdot \frac{{\sqrt 3 }}{{\sqrt 3 }} = 2\sqrt 3\end{aligned}

Пр.5) 

399 png

AB→=B−A=(2,−2,−3)AC→=C−A=(4,0,6)AD→=D−A=(−7,−7,7)[AB→,AC→,AD→]=∣2−2−3406−7−77∣24−7−20−7=0+84+84−0+84+56=308V=16∣[AB→,AC→,AD→]∣=16⋅308=1543∣AB→×AC→∣=(−12)2+(−24)2+82=28B=12∣AB→×AC→∣=14V=13BH1543=13⋅14⋅H⇒H=11\begin{aligned}&\overrightarrow {AB} = B - A = \left( {2, - 2, - 3} \right) \\ &\overrightarrow {AC} = C - A = \left( {4,0,6} \right) \\ &\overrightarrow {AD} = D - A = \left( { - 7, - 7,7} \right) \\ &\left[ {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ,\overrightarrow {AD} } \right] = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 2&{ - 2}&{ - 3} \\ 4&0&6 \\ { - 7}&{ - 7}&7 \end{array}} \right|\begin{array}{cccccccccccccccccccc} 2 \\ 4 \\ { - 7} \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {} \\ {} \\ {} \end{array}\begin{array}{cccccccccccccccccccc} { - 2} \\ 0 \\ { - 7} \end{array} = 0 + 84 + 84 - 0 + 84 + 56 = 308 \\ &V = \frac{1}{6}\left| {\left[ {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ,\overrightarrow {AD} } \right]} \right| = \frac{1}{6} \cdot 308 = \frac{{154}}{3} \\ & \\ &\left| {\overrightarrow {AB} \times \overrightarrow {AC} } \right| = \sqrt {{{\left( { - 12} \right)}^2} + {{\left( { - 24} \right)}^2} + {8^2}} = 28 \\ &B = \frac{1}{2}\left| {\overrightarrow {AB} \times \overrightarrow {AC} } \right| = 14 \\ &V = \frac{1}{3}BH \\ &\frac{{154}}{3} = \frac{1}{3} \cdot 14 \cdot H \Rightarrow H = 11\end{aligned}

Висина паралелепипеда над основом коју граде a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b} следи из V=B⋅HV = B \cdot H: запремина је V=∣[a→,b→,c→]∣V = |[\overrightarrow{a}, \overrightarrow{b}, \overrightarrow{c}]|, површина основе B=∣a→×b→∣B = |\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}|, па је H=∣[a→,b→,c→]∣∣a→×b→∣H = \frac{|[\overrightarrow{a}, \overrightarrow{b}, \overrightarrow{c}]|}{|\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}|}.

За тространу пирамиду ABCDABCD користите векторе из једног темена: запремина је V=16∣[AB→,AC→,AD→]∣V = \frac{1}{6}|[\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AD}]|, основа је троугао површине B=12∣AB→×AC→∣B = \frac{1}{2}|\overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AC}|, а из V=13BHV = \frac{1}{3}BH добијате висину из темена DD. Та висина је уједно растојање тачке DD од равни ABCABC, па овако рачунате и растојање тачке од равни. Најчешћа грешка је да се код пирамиде изоставе фактори 16\frac{1}{6} и 12\frac{1}{2} или да се помешају са формулама за паралелепипед.

xyzABCDH242424Превуците да окренете
7 m
Запремина пирамиде V
10 m³
Површина основе B
15 m²
Растојање од крова H
2 m
Слика је кров из примера у размери 1 : 2, а бројеви уз њу су у метрима. Испрекидана дуж је висина пирамиде ABCDABCD из темена DD, нормална на кров: увек је H=3VBH = \frac{3V}{B}. Кад је врх на 7 m, H=2H = 2 m.

У пројектовању кровова и у 3D моделовању често треба растојање тачке од косе равни, на пример врха антене или носача соларног панела од кровне равни. Рачуна се управо овако: H=∣[AB→,AC→,AD→]∣∣AB→×AC→∣H = \frac{|[\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AD}]|}{|\overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AC}|}.

Антена на косом крову

Раван косог крова пролази кроз тачке A(0,0,3)A(0, 0, 3), B(6,0,3)B(6, 0, 3) и C(0,4,6)C(0, 4, 6); координате су у метрима, а оса zz иде навише. Врх антене је у тачки D(3,2,7)D(3, 2, 7). Колико је врх антене удаљен од крова, мерено нормално на кров?

Решење

  1. Вектори из темена AA: AB→=(6,0,0)\overrightarrow{AB} = (6, 0, 0), AC→=(0,4,3)\overrightarrow{AC} = (0, 4, 3) и AD→=(3,2,4)\overrightarrow{AD} = (3, 2, 4).
  2. AB→×AC→=(0⋅3−0⋅4, 0⋅0−6⋅3, 6⋅4−0⋅0)=(0,−18,24)\overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AC} = (0 \cdot 3 - 0 \cdot 4,\ 0 \cdot 0 - 6 \cdot 3,\ 6 \cdot 4 - 0 \cdot 0) = (0, -18, 24), а ∣AB→×AC→∣=30|\overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AC}| = 30, па је површина основе B=15B = 15 m².
  3. [AB→,AC→,AD→]=(0,−18,24)⋅(3,2,4)=0−36+96=60[\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AD}] = (0, -18, 24) \cdot (3, 2, 4) = 0 - 36 + 96 = 60, па пирамида ABCDABCD има запремину V=606=10V = \frac{60}{6} = 10 m³.
  4. Из V=13BHV = \frac{1}{3}BH следи H=3VB=3015=2H = \frac{3V}{B} = \frac{30}{15} = 2 m.

Одговор: Врх антене је 2 m од крова, мерено нормално на кров.

Задатак за вежбу

Израчунајте висину паралелепипеда над векторима a→=(1,2,2)\overrightarrow{a} = (1, 2, 2), b→=(2,1,−2)\overrightarrow{b} = (2, 1, -2) и c→=(1,1,4)\overrightarrow{c} = (1, 1, 4) која одговара основи коју граде a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b}.

Прикажи решење

a→×b→=(−6,6,−3)\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b} = (-6, 6, -3) и ∣a→×b→∣=9|\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}| = 9; [a→,b→,c→]=−6+6−12=−12[\overrightarrow{a}, \overrightarrow{b}, \overrightarrow{c}] = -6 + 6 - 12 = -12, па је V=12V = 12 и H=129=43H = \frac{12}{9} = \frac{4}{3}.