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怎么计算向量的混合积

2025-11-09 19:05:44

问题描述:

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2025-11-09 19:05:44

怎么计算向量的混合积】向量的混合积是线性代数中的一个重要概念,常用于计算三维空间中由三个向量所确定的平行六面体的体积。混合积的计算方法涉及向量的点积和叉积,其结果是一个标量值。本文将对混合积的定义、计算方法及应用进行总结,并通过表格形式清晰展示关键内容。

一、混合积的定义

设三个向量分别为 a、b、c,则它们的混合积记为:

$$

a, b, c] = a \cdot (b \times c)

$$

其中:

- $ b \times c $ 是向量 b 和 c 的叉积,结果是一个向量;

- $ a \cdot (b \times c) $ 是向量 a 与该向量的点积,结果是一个标量。

混合积的几何意义是:以这三个向量为邻边的平行六面体的体积(绝对值)。

二、混合积的计算步骤

1. 计算叉积:先计算两个向量的叉积,例如 $ b \times c $。

2. 计算点积:再将第一个向量 a 与上一步的结果进行点积。

3. 得到结果:最终得到一个标量值,即为混合积。

三、混合积的性质

性质 描述
交换律 混合积不满足交换律,但有循环交换性质:
$$ [a, b, c] = [b, c, a] = [c, a, b] $$
反交换性 如果交换任意两个向量的位置,则符号改变:
$$ [a, b, c] = -[a, c, b] $$
零向量 若三个向量共面,则混合积为0。

四、混合积的计算公式(坐标形式)

设向量:

- $ a = (a_1, a_2, a_3) $

- $ b = (b_1, b_2, b_3) $

- $ c = (c_1, c_2, c_3) $

则混合积可以表示为行列式形式:

$$

a, b, c] =

\begin{vmatrix}

a_1 & a_2 & a_3 \\

b_1 & b_2 & b_3 \\

c_1 & c_2 & c_3 \\

\end{vmatrix}

$$

也可以展开为:

$$

a_1(b_2c_3 - b_3c_2) - a_2(b_1c_3 - b_3c_1) + a_3(b_1c_2 - b_2c_1)

$$

五、示例计算

设向量:

- $ a = (1, 2, 3) $

- $ b = (4, 5, 6) $

- $ c = (7, 8, 9) $

计算混合积:

$$

a, b, c] =

\begin{vmatrix}

1 & 2 & 3 \\

4 & 5 & 6 \\

7 & 8 & 9 \\

\end{vmatrix}

= 1(5 \cdot 9 - 6 \cdot 8) - 2(4 \cdot 9 - 6 \cdot 7) + 3(4 \cdot 8 - 5 \cdot 7)

$$

$$

= 1(45 - 48) - 2(36 - 42) + 3(32 - 35)

= 1(-3) - 2(-6) + 3(-3)

= -3 + 12 - 9 = 0

$$

因此,该混合积为 0,说明三个向量共面。

六、总结表格

内容 说明
混合积定义 $ a \cdot (b \times c) $
几何意义 平行六面体的体积(绝对值)
计算方式 叉积后点积,或行列式展开
坐标形式 行列式:$ \begin{vmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{vmatrix} $
性质 循环交换不变,交换两向量变号
应用 判断向量是否共面,计算体积

通过以上内容,我们可以清晰地了解如何计算向量的混合积,并掌握其在实际问题中的应用。

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