Векторски производ вектора – примери 4

Израчунавање површине применом векторског производа вектора

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији.

Пр.6)   Наћи површину паралелограма ако су његове дијагонале задате векторима 2m→−n→2\overrightarrow m - \overrightarrow n, где су m→\overrightarrow m и n→\overrightarrow n јединични вектори који заклапају угао од 45∘{45^ \circ }.

Пр.7)   Израчунати висину ha{h_a} паралелограма конструисаног над векторима a→=2m→+3n→\overrightarrow a = 2\overrightarrow m + 3\overrightarrow n и b→=m→−4n→\overrightarrow b = \overrightarrow m - 4\overrightarrow n, где су m→\overrightarrow m и n→\overrightarrow n међусобно нормални једнични вектори.


Пр.6) 

394 png

d1→=2m→−n→d2→=4m→−5n→d1→=a→+b→d2→=−a→+b→‾2b→=d1→+d2→2b→=2m→−n→+4m→−5n→2b→=6m→−6n→b→=3m→−3n→2m→−n→=a→+3m→−3n→a→=−m→+2n→P=∣a→×b→∣=∣(−m→+2n→)×(3m→−3n→)∣==∣−3m→×m→+3m→×n→+6n→×m→−6n→×n→∣==∣−3n→×m→+6n→×m→∣=∣3n→×m→∣=3∣n→∣⋅∣m→∣sin∡(n→,m→)==3⋅1⋅1⋅22=322\begin{aligned}&\overrightarrow {{d_1}} = 2\overrightarrow m - \overrightarrow n \\ &\overrightarrow {{d_2}} = 4\overrightarrow m - 5\overrightarrow n \\ &\overrightarrow {{d_1}} = \overrightarrow a + \overrightarrow b \\ &\underline {\overrightarrow {{d_2}} = - \overrightarrow a + \overrightarrow b } \\ &2\overrightarrow b = \overrightarrow {{d_1}} + \overrightarrow {{d_2}} \\ &2\overrightarrow b = 2\overrightarrow m - \overrightarrow n + 4\overrightarrow m - 5\overrightarrow n \\ &2\overrightarrow b = 6\overrightarrow m - 6\overrightarrow n \\ &\overrightarrow b = 3\overrightarrow m - 3\overrightarrow n \\ & \\ &2\overrightarrow m - \overrightarrow n = \overrightarrow a + 3\overrightarrow m - 3\overrightarrow n \\ &\overrightarrow a = - \overrightarrow m + 2\overrightarrow n \\ & \\ &P = \left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = \left| {\left( { - \overrightarrow m + 2\overrightarrow n } \right) \times \left( {3\overrightarrow m - 3\overrightarrow n } \right)} \right| = \\ &= \left| { - 3\overrightarrow m \times \overrightarrow m + 3\overrightarrow m \times \overrightarrow n + 6\overrightarrow n \times \overrightarrow m - 6\overrightarrow n \times \overrightarrow n } \right| = \\ &= \left| { - 3\overrightarrow n \times \overrightarrow m + 6\overrightarrow n \times \overrightarrow m } \right| = \left| {3\overrightarrow n \times \overrightarrow m } \right| = 3\left| {\overrightarrow n } \right| \cdot \left| {\overrightarrow m } \right|sin\measuredangle \left( {\overrightarrow n ,\overrightarrow m } \right) = \\ &= 3 \cdot 1 \cdot 1 \cdot \frac{{\sqrt 2 }}{2} = \frac{{3\sqrt 2 }}{2}\end{aligned}

Пр.7) 

396 png

P=∣a→×b→∣P=a⋅ha=∣a→∣⋅haa→×b→=(2m→+3n→)×(m→−4n→)=2m→×m→−8m→×n→+3n→×m→−12n→×n→==8n→×m→+3n→×m→=11n→×m→P=∣a→×b→∣=∣11n→×m→∣=11∣n→∣∣m→∣⋅sin⁡∡(m→,n→)=11∣a→∣2=a→⋅a→=(2m→+3n→)⋅(2m→+3n→)=4m→×m→+6m→×n→+6n→×m→−12+9n→×n→==4∣m→∣2+12m→n→+9∣n→∣2=m→n→=∣m→∣∣n→∣cos⁡∡(m→,n→)=1⋅1⋅0=0=4+9=13∣a→∣=1311=13⋅ha⇒ha=111313\begin{aligned}&P = \left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| \\ &P = a \cdot {h_a} = \left| {\overrightarrow a } \right| \cdot {h_a} \\ & \\ &\overrightarrow a \times \overrightarrow b = \left( {2\overrightarrow m + 3\overrightarrow n } \right) \times \left( {\overrightarrow m - 4\overrightarrow n } \right) = 2\overrightarrow m \times \overrightarrow m - 8\overrightarrow m \times \overrightarrow n + 3\overrightarrow n \times \overrightarrow m - 12\overrightarrow n \times \overrightarrow n = \\ &= 8\overrightarrow n \times \overrightarrow m + 3\overrightarrow n \times \overrightarrow m = 11\overrightarrow n \times \overrightarrow m \\ &P = \left| {\overrightarrow a \times \overrightarrow b } \right| = \left| {11\overrightarrow n \times \overrightarrow m } \right| = 11\left| {\overrightarrow n } \right|\left| {\overrightarrow m } \right| \cdot \sin \measuredangle \left( {\overrightarrow m ,\overrightarrow n } \right) = 11 \\ &{\left| {\overrightarrow a } \right|^2} = \overrightarrow a \cdot \overrightarrow a = \left( {2\overrightarrow m + 3\overrightarrow n } \right) \cdot \left( {2\overrightarrow m + 3\overrightarrow n } \right) = 4\overrightarrow m \times \overrightarrow m + 6\overrightarrow m \times \overrightarrow n + 6\overrightarrow n \times \overrightarrow m - 12 + 9\overrightarrow n \times \overrightarrow n = \\ &= 4{\left| {\overrightarrow m } \right|^2} + 12\overrightarrow m \overrightarrow n + 9{\left| {\overrightarrow n } \right|^2} = \\ & \\ &\overrightarrow m \overrightarrow n = \left| {\overrightarrow m } \right|\left| {\overrightarrow n } \right|\cos \measuredangle \left( {\overrightarrow m ,\overrightarrow n } \right) = 1 \cdot 1 \cdot 0 = 0 \\ & \\ &= 4 + 9 = 13 \\ & \\ &\left| {\overrightarrow a } \right| = \sqrt {13} \\ &11 = \sqrt {13} \cdot {h_a} \Rightarrow {h_a} = \frac{{11\sqrt {13} }}{{13}}\end{aligned}

Ако паралелограм над a→\overrightarrow{a} и b→\overrightarrow{b} има дијагонале d1→=a→+b→\overrightarrow{d_1} = \overrightarrow{a} + \overrightarrow{b} и d2→=b→−a→\overrightarrow{d_2} = \overrightarrow{b} - \overrightarrow{a}, онда је d1→×d2→=2 a→×b→\overrightarrow{d_1} \times \overrightarrow{d_2} = 2\,\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}. Зато површину можете рачунати директно из дијагонала, P=12∣d1→×d2→∣P = \frac{1}{2}|\overrightarrow{d_1} \times \overrightarrow{d_2}|, или прво наћи странице: сабирањем и одузимањем једнакости добијате b→=d1→+d2→2\overrightarrow{b} = \frac{\overrightarrow{d_1} + \overrightarrow{d_2}}{2} и a→=d1→−d2→2\overrightarrow{a} = \frac{\overrightarrow{d_1} - \overrightarrow{d_2}}{2}.

Висину на страницу aa, тј. растојање између те странице и њој наспрамне, рачунате из P=∣a→∣⋅haP = |\overrightarrow{a}| \cdot h_a, тј. ha=∣a→×b→∣∣a→∣h_a = \frac{|\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b}|}{|\overrightarrow{a}|}. Дужину ∣a→∣|\overrightarrow{a}| добијате преко скаларног производа, ∣a→∣2=a→⋅a→|\overrightarrow{a}|^2 = \overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{a}; за a→=2m→+3n→\overrightarrow{a} = 2\overrightarrow{m} + 3\overrightarrow{n}, где су m→\overrightarrow{m} и n→\overrightarrow{n} нормални јединични вектори, то је 4+9=134 + 9 = 13. Не мешајте производе: у a→⋅a→\overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{a} стоји скаларни, а у формули за површину векторски производ.

−11234567123456780xyφd₁d₂hₐABDC
Површина P
17
½ · d₁ · d₂ · sin φ
17
hₐ = P : |AB|
3,4
Површина паралелограма једнака је 12d1d2sin⁡φ\frac{1}{2}d_1 d_2 \sin\varphi, где је φ\varphi угао између дијагонала, и ∣AB∣⋅ha|AB| \cdot h_a. Црвена дуж је висина на страницу ABAB. На почетку је парцела из примера, у јединицама од 10 m.

Геодете површину парцеле облика паралелограма могу добити из дијагонала ако знају њихове дужине и правце, а висина паралелограма је ширина парцеле мерена нормално на улицу.

Парцела облика паралелограма

Парцела у Зрењанину има облик паралелограма ABCDABCD, са страницом ABAB уз улицу. Јединични вектори m→\overrightarrow{m} (ка истоку) и n→\overrightarrow{n} (ка северу) су нормални, а јединица дужине је 10 m. Геометар је измерио дијагонале: AC→=5m→+8n→\overrightarrow{AC} = 5\overrightarrow{m} + 8\overrightarrow{n} и BD→=−3m→+2n→\overrightarrow{BD} = -3\overrightarrow{m} + 2\overrightarrow{n}. Израчунајте површину парцеле и њену ширину мерену нормално на улицу.

Решење

  1. За a→=AB→\overrightarrow{a} = \overrightarrow{AB} и b→=AD→\overrightarrow{b} = \overrightarrow{AD} је AC→=a→+b→\overrightarrow{AC} = \overrightarrow{a} + \overrightarrow{b} и BD→=b→−a→\overrightarrow{BD} = \overrightarrow{b} - \overrightarrow{a}. Одатле је b→=AC→+BD→2=m→+5n→\overrightarrow{b} = \frac{\overrightarrow{AC} + \overrightarrow{BD}}{2} = \overrightarrow{m} + 5\overrightarrow{n} и a→=AC→−BD→2=4m→+3n→\overrightarrow{a} = \frac{\overrightarrow{AC} - \overrightarrow{BD}}{2} = 4\overrightarrow{m} + 3\overrightarrow{n}.
  2. a→×b→=(4m→+3n→)×(m→+5n→)=20 m→×n→+3 n→×m→=17 m→×n→\overrightarrow{a} \times \overrightarrow{b} = (4\overrightarrow{m} + 3\overrightarrow{n}) \times (\overrightarrow{m} + 5\overrightarrow{n}) = 20\,\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{n} + 3\,\overrightarrow{n} \times \overrightarrow{m} = 17\,\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{n}, а ∣m→×n→∣=1⋅1⋅sin⁡90∘=1|\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{n}| = 1 \cdot 1 \cdot \sin 90^\circ = 1, па је P=17P = 17.
  3. Провера преко дијагонала: 12∣AC→×BD→∣=12∣10 m→×n→−24 n→×m→∣=12⋅34=17\frac{1}{2}|\overrightarrow{AC} \times \overrightarrow{BD}| = \frac{1}{2}|10\,\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{n} - 24\,\overrightarrow{n} \times \overrightarrow{m}| = \frac{1}{2} \cdot 34 = 17.
  4. ∣a→∣2=a→⋅a→=16+24 m→⋅n→+9=25|\overrightarrow{a}|^2 = \overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{a} = 16 + 24\,\overrightarrow{m} \cdot \overrightarrow{n} + 9 = 25, јер је m→⋅n→=0\overrightarrow{m} \cdot \overrightarrow{n} = 0. Дакле ∣a→∣=5|\overrightarrow{a}| = 5 и ha=175=3,4h_a = \frac{17}{5} = 3{,}4.
  5. Јединица је 10 m, па је P=17⋅100=1700P = 17 \cdot 100 = 1700 m², а ha=3,4⋅10=34h_a = 3{,}4 \cdot 10 = 34 m.

Одговор: Парцела има површину 1700 m², а широка је 34 m, мерено нормално на улицу.

Задатак за вежбу

Дијагонале паралелограма су d1→=m→+2n→\overrightarrow{d_1} = \overrightarrow{m} + 2\overrightarrow{n} и d2→=3m→−n→\overrightarrow{d_2} = 3\overrightarrow{m} - \overrightarrow{n}, где су m→\overrightarrow{m} и n→\overrightarrow{n} јединични вектори који заклапају угао од 60∘60^\circ. Израчунајте површину паралелограма.

Прикажи решење

d1→×d2→=−m→×n→+6 n→×m→=−7 m→×n→\overrightarrow{d_1} \times \overrightarrow{d_2} = -\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{n} + 6\,\overrightarrow{n} \times \overrightarrow{m} = -7\,\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{n}, па је P=12⋅7⋅sin⁡60∘=734≈3,03P = \frac{1}{2} \cdot 7 \cdot \sin 60^\circ = \frac{7\sqrt{3}}{4} \approx 3{,}03.