Векторски производ вектора – примери 3

Израчунавање површине применом векторског производа вектора. Услов колинеарности.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији.

Пр.4)   Ако је u→=2a→+b,→v→=a→−2b→,∣a→∣=3,∣b→∣=2,∠(a→,b→)=π6\overrightarrow u = 2\overrightarrow a + \overrightarrow {b,} \overrightarrow v = \overrightarrow a - 2\overrightarrow b ,\left| {\overrightarrow a } \right| = 3,\left| {\overrightarrow b } \right| = 2,\angle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = \frac{\pi }{6}, наћи ∣u→×v→∣\left| {\overrightarrow u \times \overrightarrow v } \right|.

Пр.5)   Наћи површину паралелограма конструисаног над векторима p→=2b→−a→\overrightarrow p = 2\overrightarrow b - \overrightarrow a и q→=3a→+2b→\overrightarrow q = 3\overrightarrow a + 2\overrightarrow b, ако је ∣a→∣=∣b→∣=5,∠(a→,b→)=π4\left| {\overrightarrow a } \right| = \left| {\overrightarrow b } \right| = 5,\angle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = \frac{\pi }{4}.

Пр.6)   Који услов треба да задовољавају вектори a→\overrightarrow a и b→\overrightarrow b да би вектори 2a→−b→2\overrightarrow a - \overrightarrow b и 2a→+b→2\overrightarrow a + \overrightarrow b били колинеарни?


Пр.4)

∣u→×v→∣=∣(2a→+b→)×(a→−2b→)∣=∣2a→×a→−4a→×b→+b→×a→−2b→×b→∣==∣−4a→×b→−a→×b→∣=∣−5a→×b→∣=−5∣a→×b→∣=−5∣a→∣⋅∣b→∣sin∡(a→,b→)=5⋅3⋅2⋅12=15\begin{aligned}&\left| {\overrightarrow u \times \overrightarrow v } \right| = \left| {\left( {2\overrightarrow a + \overrightarrow b } \right) \times \left( {\overrightarrow a - 2\overrightarrow b } \right)} \right| = \left| {2\overrightarrow a \times \overrightarrow a - 4\overrightarrow a \times \overrightarrow b + \overrightarrow b \times \overrightarrow a - 2\overrightarrow b \times \overrightarrow b } \right| = \\ &= \left| { - 4\overrightarrow a \times \overrightarrow b - \overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = \left| { - 5\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = - 5\left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = - 5\left| {\overrightarrow a } \right| \cdot \left| {\overrightarrow b } \right|sin\measuredangle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = 5 \cdot 3 \cdot 2 \cdot \frac{1}{2} = 15\end{aligned}

Пр.5)

P=∣p→×q→∣=∣(2b→−a→)×(3a→+2b→)∣=∣6b→×a→+4b→×b→−3a→×a→−2a→×b→∣==∣6b→×a→+2b→×a→∣=∣8b→×a→∣=8∣b→×a→∣=8∣b→∣⋅∣a→∣⋅sin∡(a→,b→)=8⋅5⋅5⋅22=1002\begin{aligned}&P = \left| {\overrightarrow p \times \overrightarrow q } \right| = \left| {\left( {2\overrightarrow b - \overrightarrow a } \right) \times \left( {3\overrightarrow a + 2\overrightarrow b } \right)} \right| = \left| {6\overrightarrow b \times \overrightarrow a + 4\overrightarrow b \times \overrightarrow b - 3\overrightarrow a \times \overrightarrow a - 2\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = \\ &= \left| {6\overrightarrow b \times \overrightarrow a + 2\overrightarrow b \times \overrightarrow a } \right| = \left| {8\overrightarrow b \times \overrightarrow a } \right| = 8\left| {\overrightarrow b \times \overrightarrow a } \right| = 8\left| {\overrightarrow b } \right| \cdot \left| {\overrightarrow a } \right| \cdot sin\measuredangle \left( {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right) = 8 \cdot 5 \cdot 5 \cdot \frac{{\sqrt 2 }}{2} = 100\sqrt 2\end{aligned}

Пр.6)

2a→−b→∥2a→+b→⇔∣(2a→−b→)×(2a→+b→)∣=0∣4a→×a→+2a→×b→−2b→×a→−b→×b→∣=0∣2a→×b→+2a→×b→∣=0∣4a→×b→∣=04∣a→×b→∣=0∣a→×b→∣=0⇔a→∥b→\begin{aligned}&2\overrightarrow a - \overrightarrow b \parallel 2\overrightarrow a + \overrightarrow b \Leftrightarrow \left| {\left( {2\overrightarrow a - \overrightarrow b } \right) \times \left( {2\overrightarrow a + \overrightarrow b } \right)} \right| = 0 \\ &\left| {4\overrightarrow a \times \overrightarrow a + 2\overrightarrow a \times \overrightarrow b - 2\overrightarrow b \times \overrightarrow a - \overrightarrow b \times \overrightarrow b } \right| = 0 \\ &\left| {2\overrightarrow a \times \overrightarrow b + 2\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = 0 \\ &\left| {4\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = 0 \\ &4\left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = 0 \\ &\left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = 0 \Leftrightarrow \overrightarrow a \parallel \overrightarrow b\end{aligned}

Кад су вектори задати као комбинације вектора a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b}, векторски производ рачунајте као производ збирова: помножите сваки члан са сваким, чувајући редослед чинилаца. Затим примените a→×a→=b→×b→=0→\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{a} = \overrightarrow{b} \times \overrightarrow{b} = \overrightarrow{0} и b→×a→=−a→×b→\overrightarrow{b} \times \overrightarrow{a} = -\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}. На пример, (2a→+b→)×(a→−2b→)=−4 a→×b→+b→×a→=−5 a→×b→(2\overrightarrow{a} + \overrightarrow{b}) \times (\overrightarrow{a} - 2\overrightarrow{b}) = -4\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b} + \overrightarrow{b} \times \overrightarrow{a} = -5\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}, па је интензитет 5∣a→∣∣b→∣sin⁡φ5|\overrightarrow{a}||\overrightarrow{b}|\sin\varphi.

Уопште је (ma→+nb→)×(ka→+lb→)=(ml−nk) a→×b→(m\overrightarrow{a} + n\overrightarrow{b}) \times (k\overrightarrow{a} + l\overrightarrow{b}) = (ml - nk)\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}: паралелограм над новим векторима има ∣ml−nk∣|ml - nk| пута већу површину од паралелограма над a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b}. Ако је ml−nk=0ml - nk = 0, нови вектори су колинеарни. Пазите на знак: интензитет је увек ненегативан, па се минус испред a→×b→\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b} губи тек у апсолутној вредности, а не у међукорацима.

pqab
4
1
1
3
Површина над a и b
1,25
Површина над p и q
13,72
Однос површина
11
|ml − nk|
11
Плави ромб је паралелограм над a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b}, а зелени над p→=ma→+nb→\overrightarrow{p} = m\overrightarrow{a} + n\overrightarrow{b} и q→=ka→+lb→\overrightarrow{q} = k\overrightarrow{a} + l\overrightarrow{b}. Однос њихових површина је увек ∣ml−nk∣|ml - nk|; на почетку су вектори из примера, па је однос 11. Кад је ml=nkml = nk, зелени паралелограм се спљошти.

Површина ћелије кристалне решетке рачуна се као ∣a→×b→∣|\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}|, а површина веће ћелије, задате комбинацијама вектора a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b}, добија се множењем тим коефицијентом. Исти рачун важи за шаре на поду поплочаном плочицама облика ромба.

Тепих на поду од ромбова

Под предсобља поплочан је једнаким плочицама облика ромба странице 20 cm, са оштрим углом од 60∘60^\circ. Странице једне плочице из истог темена су вектори a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b}, ∣a→∣=∣b→∣=20|\overrightarrow{a}| = |\overrightarrow{b}| = 20 cm. Дизајнерка обележава паралелограм за тепих са страницама p→=4a→+b→\overrightarrow{p} = 4\overrightarrow{a} + \overrightarrow{b} и q→=a→+3b→\overrightarrow{q} = \overrightarrow{a} + 3\overrightarrow{b}. Колика је површина тог паралелограма?

Решење

  1. p→×q→=(4a→+b→)×(a→+3b→)=4 a→×a→+12 a→×b→+b→×a→+3 b→×b→\overrightarrow{p} \times \overrightarrow{q} = (4\overrightarrow{a} + \overrightarrow{b}) \times (\overrightarrow{a} + 3\overrightarrow{b}) = 4\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{a} + 12\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b} + \overrightarrow{b} \times \overrightarrow{a} + 3\,\overrightarrow{b} \times \overrightarrow{b}.
  2. Пошто је a→×a→=b→×b→=0→\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{a} = \overrightarrow{b} \times \overrightarrow{b} = \overrightarrow{0} и b→×a→=−a→×b→\overrightarrow{b} \times \overrightarrow{a} = -\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}, остаје p→×q→=11 a→×b→\overrightarrow{p} \times \overrightarrow{q} = 11\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}.
  3. Површина једне плочице: ∣a→×b→∣=20⋅20⋅sin⁡60∘=2003≈346,4|\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}| = 20 \cdot 20 \cdot \sin 60^\circ = 200\sqrt{3} \approx 346{,}4 cm².
  4. Површина паралелограма: ∣p→×q→∣=11⋅2003=22003≈3810,5|\overrightarrow{p} \times \overrightarrow{q}| = 11 \cdot 200\sqrt{3} = 2200\sqrt{3} \approx 3810{,}5 cm².

Одговор: Паралелограм има површину 22003≈38102200\sqrt{3} \approx 3810 cm², тј. око 0,38 m², колико и 11 плочица.

Задатак за вежбу

Нека је u→=a→+3b→\overrightarrow{u} = \overrightarrow{a} + 3\overrightarrow{b} и v→=2a→−b→\overrightarrow{v} = 2\overrightarrow{a} - \overrightarrow{b}, при чему је ∣a→∣=4|\overrightarrow{a}| = 4, ∣b→∣=3|\overrightarrow{b}| = 3 и ∡(a→,b→)=π6\measuredangle(\overrightarrow{a}, \overrightarrow{b}) = \frac{\pi}{6}. Израчунајте ∣u→×v→∣|\overrightarrow{u} \times \overrightarrow{v}|.

Прикажи решење

u→×v→=−a→×b→+6 b→×a→=−7 a→×b→\overrightarrow{u} \times \overrightarrow{v} = -\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b} + 6\,\overrightarrow{b} \times \overrightarrow{a} = -7\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}, па је ∣u→×v→∣=7⋅4⋅3⋅sin⁡π6=42|\overrightarrow{u} \times \overrightarrow{v}| = 7 \cdot 4 \cdot 3 \cdot \sin\frac{\pi}{6} = 42.