《向量積分配律的證明》證明書

2021-07-25 00:14:39 字數 2335 閱讀 5492

向量積分配律的證明三維向量外積(即矢積、叉積)可以用幾何方法證明;也可以借用外積的反對稱性、內積的分配律和混合積性質,以代數方法證明。

下面把向量外積定義為:

a × b = |a|·|b|·sin.

分配律的幾何證明方法很繁瑣,大意是用作圖的方法驗證。有興趣的話請自己參閱參考文獻中的證明。

下面給出代數方法。我們假定已經知道了:

1)外積的反對稱性:( 散文

閱讀:www.sanwen.net )

a × b = - b × a.

這由外積的定義是顯然的。

2)內積(即數積、點積)的分配律:

a·(b + c) = a·b + a·c,

(a + b)·c = a·c + b·c.

這由內積的定義a·b = |a|·|b|·cos,用投影的方法不難得到證明。

3)混合積的性質:

定義(a×b)·c為向量a, b, c的混合積,容易證明:

i) (a×b)·c的絕對值正是以a, b, c為三條鄰稜的平行六面體的體積,其正負號由a, b, c的定向決定(右手係為正,左手係為負)。

從而就推出:

ii) (a×b)·c = a·(b×c)

所以我們可以記a, b, c的混合積為(a, b, c).

由i)還可以推出:

iii) (a, b, c) = (b, c, a) = (c, a, b)

我們還有下面的一條顯然的結論:

iv) 若乙個向量a同時垂直於三個不共面矢a1, a2, a3,則a必為零向量。

下面我們就用上面的1)2)3)來證明外積的分配律。

設r為空間任意向量,在r·(a×(b + c))裡,交替兩次利用3)的ii)、iii)和數積分配律2),就有

r·(a×(b + c))

= (r×a)·(b + c)

= (r×a)·b + (r×a)·c

= r·(a×b) + r·(a×c)

= r·(a×b + a×c)

移項,再利用數積分配律,得

r·(a×(b + c) - (a×b + a×c)) = 0

這說明向量a×(b + c) - (a×b + a×c)垂直於任意乙個向量。按3)的iv),這個向量必為零向量,即

a×(b + c) - (a×b + a×c) = 0

所以有a×(b + c) = a×b + a×c.

證畢。三維向量外積(即矢積、叉積)可以用幾何方法證明;也可以借用外積的反對稱性、內積的分配律和混合積性質,以代數方法證明。

下面把向量外積定義為:

a × b = |a|·|b|·sin.

分配律的幾何證明方法很繁瑣,大意是用作圖的方法驗證。有興趣的話請自己參閱參考文獻中的證明。

下面給出代數方法。我們假定已經知道了:

1)外積的反對稱性:

a × b = - b × a.

這由外積的定義是顯然的。

2)內積(即數積、點積)的分配律:

a·(b + c) = a·b + a·c,

(a + b)·c = a·c + b·c.

這由內積的定義a·b = |a|·|b|·cos,用投影的方法不難得到證明。

3)混合積的性質:

定義(a×b)·c為向量a, b, c的混合積,容易證明:

i) (a×b)·c的絕對值正是以a, b, c為三條鄰稜的平行六面體的體積,其正負號由a, b, c的定向決定(右手係為正,左手係為負)。

從而就推出:

ii) (a×b)·c = a·(b×c)

所以我們可以記a, b, c的混合積為(a, b, c).

由i)還可以推出:

iii) (a, b, c) = (b, c, a) = (c, a, b)

我們還有下面的一條顯然的結論:

iv) 若乙個向量a同時垂直於三個不共面矢a1, a2, a3,則a必為零向量。

下面我們就用上面的1)2)3)來證明外積的分配律。

設r為空間任意向量,在r·(a×(b + c))裡,交替兩次利用3)的ii)、iii)和數積分配律2),就有

r·(a×(b + c))

= (r×a)·(b + c)

= (r×a)·b + (r×a)·c

= r·(a×b) + r·(a×c)

= r·(a×b + a×c)

移項,再利用數積分配律,得

r·(a×(b + c) - (a×b + a×c)) = 0

這說明向量a×(b + c) - (a×b + a×c)垂直於任意乙個向量。按3)的iv),這個向量必為零向量,即

a×(b + c) - (a×b + a×c) = 0

所以有a×(b + c) = a×b + a×c.

證畢。

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