Dvojnásobný vektorový súčin
Dvojnásobný vektorový súčin medzi tromi vektormi a, b, c môže mať dva tvary , pokiaľ dodržíme určené poradie vektorov :
a ´ (b ´ c) a (a ´ b) ´ c (1.2.4.1)
Zo zápisu je zrejmé, že výsledkom dvojnásobného vektorového súčinu je vektorová veličina. Uvedené dva tvary neposkytujú rovnaký výsledok. Výsledkom súčinu vektorov nachádzajúcich sa v zátvorke je v oboch prípadoch vektor , ktorý je na ich rovinu kolmý (označme si ho ako w , obr. 1.2.4.1). Súčinom vektora w s ďalším vektorom je vektor u, ktorý je kolmý aj na vektor w, takže u musí ležať v rovine vektorov, ktoré sú uvedené v zátvorke. To znamená, že výsledok dvojnásobného vektorového súčinu u možno vyjadriť ako lineárnu kombináciu vektorov, nachádzajúcich sa v zátvorke. V prvom prípade výsledný vektor u1 leží v rovine vektorov b, c a v druhom prípade výsledný vektor u2 leží v rovine vektorov a, b . Druhý prípad je nakreslený na obrázku.
Pre výsledné vektory platia nasledujúce vzorce:
u1 = a ´ (b ´ c) = b (a × c) - c (a × b ) (1.2.4.2)
u2 = (a ´ b) ´ c = b (a × c) - a (b × c ) (1.2.4.3)
Správnosť týchto vzorcov možno dokázať celkom všeobecným postupom, ktorý je však náročný a pomerne rozsiahly. Preto si jeden zo vzorcov, a to (1.2.4.3) , odvodíme zjednodušeným postupom na príklade troch ľubovoľných nekomplanárnych vektorov a, b, c, v špeciálne zvolenej karteziánskej súradnicovej sústave. Súradnicovú os x zvolíme tak, aby bola rovnobežná s vektorom a , takže a bude mať len jednu zložku, a to rovnobežnú s jednotkovým vektorom i : a = ax i . Os y zvolíme tak, aby rovina (xy) bola rovnobežná s rovinou určenou vektormi a, b . Vtedy vektor b , pokiaľ nie je kolmý na a , bude mať dve zložky : b = bx i + by j . Os z karteziánskej sústavy je tým už jednoznačne určená, a tak vektor c , ak chceme uvažovať čo najvšeobecnejšie, musí mať tri zložky : c = cx i + cy j + cz k
Súhrnne:
a = ax ib = bx i + by j , (1.2.4.5)c = cx i + cy j + cz k
Potom dvojnásobný vektorový súčin (a ´ b) ´ c vypočítame:
= [ ax i ´ (bx i + by j )] ´ (cx i + cy j + cz k ) = [ ax by k] ´ (cx i + cy j + cz k ) == ax by cx j - ax by cy i + ( ax bx cx i - ax bx cx i )
Výraz v zátvorke v poslednom riadku nie je výsledkom priameho výpočtu, rovná sa nule, a to, že sme ho pridali do výpočtu, je len súčasťou nášho zjednodušeného postupu. Vhodným pospájaním členov posledného riadku dostaneme:
(a ´ b) ´ c = (ax cx) (bx i + by j ) - (bx cx + by cy) (ax i)
Keď si uvedomíme, že platí
ax cx = a × c a bx cx + by cy = b × c,
čo si ľahko overíme vypočítaním týchto skalárnych súčinov vychádzajúc zo zadania vektorov (1.2.4.5), dostaneme konečný výsledok
(a ´ b) ´ c = b (a × c) - a (b × c )
Podobne možno odvodiť aj vzorec (1.2.4.2), pričom opäť sa overí zásada, že výsledný vektor, výsledok dvojnásobného vektorového súčinu, možno vyjadriť ako lineárnu kombináciu vektorov ležiacich v rovine vektorov uvedených v zátvorke.
Dvojnásobný vektorový súčin sa často využíva pri vyjadrovaní vzťahov v mechanike, ale aj elektromagnetizme.
Príklad 1.2.4.1
Vypočítajte dvojnásobný vektorový súčin ( a ´ b) ´ c vektorov : a = 5 i , b = 4 i + 3 j , c = 2 i - j + k a overte si, že výsledný vektor leží v rovine vektorov a, b . Vektory a, b ležia v rovine xy , takže výsledný vektor by mal mať len zložky rovnobežné s jednotkovými vektormi i, j . Nakreslite si obrázok.
Riešenie
( a ´ b) ´ c = [5 i ´ ( 4 i + 3 j )] ´ (2 i - j + k ) = [15 k] ´ (2 i - j + k ) = 30 j + 15 i
Kontrolné otázky
-
Napíšte dva možné varianty dvojnásobného vektorového súčinu !
-
V ktorej rovine leží výsledný vektor dvojnásobného vektorového súčinu ? Zdôvodnite svoje tvrdenie !
-
Napíšte vzorce vyjadrujúce výsledný vektor získaný dvojnásobným vektorovým súčinom !
-
Čím sa navzájom odlišujú výsledky súčinov (a x b) x c, c x (a x b) ?
-
Čím sa navzájom odlišujú výsledky súčinov (a x b) x c, a x (b x c) ?