同济高数 第8章 第8-2-1题

教材习题

📝 题目

1.设 $a=3 i-j-2 k, b=i+2 j-k$ ,求
(1) $\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b}$ 及 $\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}$ ;
(2)$(-2 a) \cdot 3 b$ 及 $a \times 2 b$ ;
(3) $\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}$ 的夹角的余弦.

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答]

**(1)求 $\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b}$ 及 $\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}$**

已知向量
$$
\boldsymbol{a} = 3\mathbf{i} - \mathbf{j} - 2\mathbf{k}, \quad \boldsymbol{b} = \mathbf{i} + 2\mathbf{j} - \mathbf{k}.
$$

点积为:
$$
\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} = (3)(1) + (-1)(2) + (-2)(-1) = 3 - 2 + 2 = 3.
$$

叉积为:
$$
\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} =
\begin{vmatrix}
\mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\
3 & -1 & -2 \\
1 & 2 & -1
\end{vmatrix}
= \mathbf{i}\begin{vmatrix} -1 & -2 \\ 2 & -1 \end{vmatrix}
- \mathbf{j}\begin{vmatrix} 3 & -2 \\ 1 & -1 \end{vmatrix}
+ \mathbf{k}\begin{vmatrix} 3 & -1 \\ 1 & 2 \end{vmatrix}.
$$

计算各分量:
$$
\mathbf{i}: (-1)(-1) - (-2)(2) = 1 + 4 = 5,
$$
$$
\mathbf{j}: (3)(-1) - (-2)(1) = -3 + 2 = -1 \quad \Rightarrow \quad -\mathbf{j}(-1) = \mathbf{j},
$$
注意符号:实际为 $-\mathbf{j} \cdot (-1) = \mathbf{j}$,即第二分量是 $+1$。
$$
\mathbf{k}: (3)(2) - (-1)(1) = 6 + 1 = 7.
$$

因此:
$$
\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} = 5\mathbf{i} + \mathbf{j} + 7\mathbf{k}.
$$

---

**(2)求 $(-2\boldsymbol{a}) \cdot 3\boldsymbol{b}$ 及 $\boldsymbol{a} \times 2\boldsymbol{b}$**

由点积的线性性质:
$$
(-2\boldsymbol{a}) \cdot (3\boldsymbol{b}) = (-2)(3)(\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b}) = -6 \times 3 = -18.
$$

由叉积的线性性质:
$$
\boldsymbol{a} \times (2\boldsymbol{b}) = 2 (\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}) = 2(5\mathbf{i} + \mathbf{j} + 7\mathbf{k}) = 10\mathbf{i} + 2\mathbf{j} + 14\mathbf{k}.
$$

---

**(3)求 $\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}$ 的夹角的余弦**

先计算模长:
$$
|\boldsymbol{a}| = \sqrt{3^2 + (-1)^2 + (-2)^2} = \sqrt{9 + 1 + 4} = \sqrt{14},
$$
$$
|\boldsymbol{b}| = \sqrt{1^2 + 2^2 + (-1)^2} = \sqrt{1 + 4 + 1} = \sqrt{6}.
$$

夹角余弦公式:
$$
\cos\theta = \frac{\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b}}{|\boldsymbol{a}|\,|\boldsymbol{b}|} = \frac{3}{\sqrt{14} \cdot \sqrt{6}} = \frac{3}{\sqrt{84}} = \frac{3}{2\sqrt{21}} = \frac{\sqrt{21}}{14}.
$$

---

最终答案:
$$
\boxed{\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} = 3,\quad \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} = 5\mathbf{i} + \mathbf{j} + 7\mathbf{k}}
$$
$$
\boxed{(-2\boldsymbol{a})\cdot 3\boldsymbol{b} = -18,\quad \boldsymbol{a} \times 2\boldsymbol{b} = 10\mathbf{i} + 2\mathbf{j} + 14\mathbf{k}}
$$
$$
\boxed{\cos\theta = \frac{\sqrt{21}}{14}}
$$

难度:★☆☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:计算向量a和b的点积
a·b = (3)(1) + (-1)(2) + (-2)(-1) = 3 - 2 + 2 = 3
公式:a·b = a_x b_x + a_y b_y + a_z b_z
提示:点积是标量,计算时注意符号
步骤 2/6
目标:计算向量a和b的叉积
a×b = |i j k; 3 -1 -2; 1 2 -1| = i[(-1)(-1)-(-2)(2)] - j[(3)(-1)-(-2)(1)] + k[(3)(2)-(-1)(1)] = i(1+4) - j(-3+2) + k(6+1) = 5i + j + 7k
公式:a×b = (a_y b_z - a_z b_y)i - (a_x b_z - a_z b_x)j + (a_x b_y - a_y b_x)k
提示:叉积结果是向量,注意行列式符号
步骤 3/6
目标:计算(-2a)·3b
(-2a)·3b = (-2)(3)(a·b) = -6 * 3 = -18
公式:(ka)·(lb) = kl(a·b)
提示:利用点积的线性性质
步骤 4/6
目标:计算a×2b
a×2b = 2(a×b) = 2(5i + j + 7k) = 10i + 2j + 14k
公式:a×(kb) = k(a×b)
提示:利用叉积的线性性质
步骤 5/6
目标:计算向量a和b的模长
|a| = sqrt(3^2 + (-1)^2 + (-2)^2) = sqrt(9+1+4) = sqrt(14); |b| = sqrt(1^2+2^2+(-1)^2) = sqrt(1+4+1) = sqrt(6)
公式:|v| = sqrt(v_x^2 + v_y^2 + v_z^2)
提示:模长是标量
步骤 6/6
目标:计算夹角余弦
cosθ = (a·b)/(|a||b|) = 3/(sqrt(14)*sqrt(6)) = 3/sqrt(84) = 3/(2*sqrt(21)) = sqrt(21)/14
公式:cosθ = (a·b)/(|a||b|)
提示:结果化简为最简形式

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