5.4 Kryssproduktet | Matematikk R2

Vektorprodukt og normalvektor.

60 min

18 oppgaver

KryssproduktVektorproduktNormalvektorRetning

Din fremgang i kapitlet

0 / 18 oppgaver

Hva er kryssproduktet?

Kryssproduktet (også kalt vektorproduktet) er en annen måte å "multiplisere" to vektorer på. I motsetning til skalarproduktet, som gir et tall, gir kryssproduktet en ny vektor.

Den resulterende vektoren står vinkelrett på begge de opprinnelige vektorene, noe som gjør kryssproduktet svært nyttig for å finne normalvektorer til plan.

Viktig: Kryssproduktet er kun definert i tre dimensjoner!

Kryssproduktet

\vec{a} = [a_1, a_2, a_3]

Praktisk huskeregel for kryssproduktet:

Tenk på komponentene syklisk: $1 \to 2 \to 3 \to 1 \to 2 \to ...$

- Første komponent: $(a_2 b_3 - a_3 b_2)$ - "hopp over 1, bruk 2 og 3"
- Andre komponent: $(a_3 b_1 - a_1 b_3)$ - "hopp over 2, bruk 3 og 1"
- Tredje komponent: $(a_1 b_2 - a_2 b_1)$ - "hopp over 3, bruk 1 og 2"

✏️Eksempel 1: Beregne kryssproduktet

Finn $\vec{a} \times \vec{b}$ når $\vec{a} = [2, 3, 1]$ og $\vec{b} = [1, -1, 2]$ .

Løsning:

Vi bruker formelen komponent for komponent:

Første komponent: $a_2 b_3 - a_3 b_2 = 3 \cdot 2 - 1 \cdot (-1) = 6 + 1 = 7$

Andre komponent: $a_3 b_1 - a_1 b_3 = 1 \cdot 1 - 2 \cdot 2 = 1 - 4 = -3$

Tredje komponent: $a_1 b_2 - a_2 b_1 = 2 \cdot (-1) - 3 \cdot 1 = -2 - 3 = -5$

$\vec{a} \times \vec{b} = [7, -3, -5]$

Geometriske egenskaper

📜Kryssproduktet står vinkelrett på begge vektorer

For alle vektorer $\vec{a}$ og $\vec{b}$ gjelder:

1. $(\vec{a} \times \vec{b}) \perp \vec{a}$
2. $(\vec{a} \times \vec{b}) \perp \vec{b}$

Med andre ord: Kryssproduktet $\vec{a} \times \vec{b}$ er ortogonalt på både $\vec{a}$ og $\vec{b}$ .

✏️Eksempel 2: Verifisere at kryssproduktet er ortogonalt

Verifiser at $\vec{a} \times \vec{b}$ fra forrige eksempel er ortogonalt på både $\vec{a}$ og $\vec{b}$ .

Løsning:

Vi har $\vec{a} = [2, 3, 1]$ , $\vec{b} = [1, -1, 2]$ og $\vec{a} \times \vec{b} = [7, -3, -5]$ .

Sjekk 1: Er $(\vec{a} \times \vec{b}) \perp \vec{a}$ ?
$(\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{a} = 7 \cdot 2 + (-3) \cdot 3 + (-5) \cdot 1 = 14 - 9 - 5 = 0 \checkmark$

Sjekk 2: Er $(\vec{a} \times \vec{b}) \perp \vec{b}$ ?
$(\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{b} = 7 \cdot 1 + (-3) \cdot (-1) + (-5) \cdot 2 = 7 + 3 - 10 = 0 \checkmark$

Bekreftet! Kryssproduktet er ortogonalt på begge vektorene.

Høyrehåndsregelen

Retningen til $\vec{a} \times \vec{b}$ bestemmes av høyrehåndsregelen:

1. Pek fingrene på høyre hånd i retning av $\vec{a}$
2. Krøll fingrene mot $\vec{b}$
3. Tommelen peker nå i retning av $\vec{a} \times \vec{b}$

Alternativ: Tenk på en skrue. Hvis du skrur fra $\vec{a}$ mot $\vec{b}$ , beveger skruen seg i retning av $\vec{a} \times \vec{b}$ .

Lengden av kryssproduktet

📜Lengden av kryssproduktet

Lengden av kryssproduktet er:

$|\vec{a} \times \vec{b}| = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \cdot \sin\theta$

der $\theta$ er vinkelen mellom $\vec{a}$ og $\vec{b}$ .

Geometrisk tolkning: $|\vec{a} \times \vec{b}|$ er lik arealet av parallellogrammet utspent av $\vec{a}$ og $\vec{b}$ .

📜Regneregler for kryssproduktet

For vektorer $\vec{a}$ , $\vec{b}$ , $\vec{c}$ og skalar $k$ gjelder:

1. $\vec{a} \times \vec{b} = -(\vec{b} \times \vec{a})$ (antikommutativ - rekkefølgen betyr noe!)
2. $\vec{a} \times (\vec{b} + \vec{c}) = \vec{a} \times \vec{b} + \vec{a} \times \vec{c}$ (distributiv)
3. $(k\vec{a}) \times \vec{b} = k(\vec{a} \times \vec{b}) = \vec{a} \times (k\vec{b})$
4. $\vec{a} \times \vec{a} = \vec{0}$
5. $\vec{a} \times \vec{0} = \vec{0}$

Viktig: $\vec{a} \times \vec{b} \neq \vec{b} \times \vec{a}$ (med mindre begge er $\vec{0}$ )

✏️Eksempel 3: Antikommutativitet

Vis at $\vec{b} \times \vec{a} = -(\vec{a} \times \vec{b})$ for $\vec{a} = [1, 0, 2]$ og $\vec{b} = [0, 1, 1]$ .

Løsning:

Beregn $\vec{a} \times \vec{b}$ :
- Første: $0 \cdot 1 - 2 \cdot 1 = -2$
- Andre: $2 \cdot 0 - 1 \cdot 1 = -1$
- Tredje: $1 \cdot 1 - 0 \cdot 0 = 1$

$\vec{a} \times \vec{b} = [-2, -1, 1]$

Beregn $\vec{b} \times \vec{a}$ :
- Første: $1 \cdot 2 - 1 \cdot 0 = 2$
- Andre: $1 \cdot 1 - 0 \cdot 2 = 1$
- Tredje: $0 \cdot 0 - 1 \cdot 1 = -1$

$\vec{b} \times \vec{a} = [2, 1, -1]$

Vi ser at $[2, 1, -1] = -[-2, -1, 1]$ , så $\vec{b} \times \vec{a} = -(\vec{a} \times \vec{b})$ ✓

Kryssprodukt av enhetsvektorene

De standard enhetsvektorene $\vec{i}$ , $\vec{j}$ , $\vec{k}$ oppfyller:

$\vec{i} \times \vec{j} = \vec{k}, \quad \vec{j} \times \vec{k} = \vec{i}, \quad \vec{k} \times \vec{i} = \vec{j}$

Og omvendt rekkefølge gir negative resultater:

$\vec{j} \times \vec{i} = -\vec{k}, \quad \vec{k} \times \vec{j} = -\vec{i}, \quad \vec{i} \times \vec{k} = -\vec{j}$

Huskeregel: Syklisk rekkefølge ( $i \to j \to k \to i$ ) gir pluss, motsatt rekkefølge gir minus.

Finne normalvektor til et plan

En viktig anvendelse av kryssproduktet er å finne en normalvektor til et plan. Hvis vi har to vektorer $\vec{u}$ og $\vec{v}$ som ligger i planet, vil $\vec{n} = \vec{u} \times \vec{v}$ stå vinkelrett på planet.

✏️Eksempel 4: Finne normalvektor til et plan

Tre punkter $A = (1, 0, 2)$ , $B = (3, 1, 1)$ og $C = (2, 2, 3)$ definerer et plan. Finn en normalvektor til dette planet.

Løsning:

Steg 1: Finn to vektorer i planet:
$\overrightarrow{AB} = [3-1, 1-0, 1-2] = [2, 1, -1]$
$\overrightarrow{AC} = [2-1, 2-0, 3-2] = [1, 2, 1]$

Steg 2: Beregn kryssproduktet:
$\vec{n} = \overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AC}$

- Første: $1 \cdot 1 - (-1) \cdot 2 = 1 + 2 = 3$
- Andre: $(-1) \cdot 1 - 2 \cdot 1 = -1 - 2 = -3$
- Tredje: $2 \cdot 2 - 1 \cdot 1 = 4 - 1 = 3$

$\vec{n} = [3, -3, 3]$

Dette kan forenkles til $\vec{n} = [1, -1, 1]$ (delt på 3).

Oppgaver

📝Oppgave 5.4.1

Regn ut kryssproduktet $\vec{a} \times \vec{b}$ :

\vec{a} = [1, 0, 0]

\vec{b} = [0, 1, 0]

\vec{a} = [1, 2, 0]

\vec{b} = [0, 0, 3]

\vec{a} = [1, 1, 1]

\vec{b} = [2, 2, 2]

📝Oppgave 5.4.2

Regn ut kryssproduktet $\vec{u} \times \vec{v}$ :

\vec{u} = [2, 1, 3]

\vec{v} = [1, -1, 2]

\vec{u} = [3, 0, -1]

\vec{v} = [2, 4, 0]

📝Oppgave 5.4.3

La $\vec{a} = [1, 2, -1]$ og $\vec{b} = [3, 0, 2]$ .

Beregn $\vec{a} \times \vec{b}$ .

Verifiser at resultatet er ortogonalt på $\vec{a}$ .

Verifiser at resultatet er ortogonalt på $\vec{b}$ .

📝Oppgave 5.4.4

Finn en vektor som er ortogonal på både $\vec{u} = [1, 1, 0]$ og $\vec{v} = [1, 0, 1]$ .

Beregn $\vec{u} \times \vec{v}$ .

Finn en enhetsvektor i samme retning.

📝Oppgave 5.4.5

Tre punkter $A = (1, 0, 0)$ , $B = (0, 2, 0)$ og $C = (0, 0, 3)$ definerer et plan. Finn en normalvektor til planet.

Finn $\overrightarrow{AB}$ og $\overrightarrow{AC}$ .

Beregn normalvektoren $\vec{n} = \overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AC}$ .

📝Oppgave 5.4.6

Bruk regnereglene til å forenkle uttrykkene:

\vec{a} \times \vec{a}

\vec{a} \times \vec{b} + \vec{b} \times \vec{a}

2(\vec{a} \times \vec{b}) - \vec{a} \times (2\vec{b})

📝Oppgave 5.4.7

Finn lengden av $\vec{a} \times \vec{b}$ når $|\vec{a}| = 3$ , $|\vec{b}| = 4$ og vinkelen mellom dem er $30°$ .

Bruk formelen $|\vec{a} \times \vec{b}| = |\vec{a}||\vec{b}|\sin\theta$ .

📝Oppgave 5.4.8

Vis at for alle vektorer $\vec{a}$ , $\vec{b}$ og $\vec{c}$ gjelder: $(\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{c} = \vec{a} \cdot (\vec{b} \times \vec{c})$ .

Regn ut begge sider for $\vec{a} = [1, 0, 0]$ , $\vec{b} = [0, 1, 0]$ , $\vec{c} = [0, 0, 1]$ .

Hva representerer dette tallet geometrisk?

📝Oppgave 5.4.9

Finn alle vektorer $\vec{v} = [x, y, z]$ som er ortogonale på både $\vec{a} = [1, 2, 1]$ og $\vec{b} = [2, 1, -1]$ .

Metode 1: Bruk kryssproduktet.

Metode 2: Sett opp likningssystemet.

📝Oppgave 5.4.10

La $\vec{a}$ , $\vec{b}$ og $\vec{c}$ være vilkårlige vektorer. Vis at $\vec{a} \times (\vec{b} \times \vec{c}) = (\vec{a} \cdot \vec{c})\vec{b} - (\vec{a} \cdot \vec{b})\vec{c}$ (BAC-CAB-regelen).

Verifiser formelen for $\vec{a} = [1, 0, 0]$ , $\vec{b} = [0, 1, 0]$ , $\vec{c} = [0, 0, 1]$ .

Verifiser for $\vec{a} = [1, 1, 0]$ , $\vec{b} = [1, 0, 1]$ , $\vec{c} = [0, 1, 1]$ .