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一章习题解答
1.1 给定三个矢量A 、B 和C 如下:
求:(1)A a ;(2)-A B ;(3)A B ;(4)AB θ;(5)A 在B 上的分量;(6)?A C ;
(7)()?A B C 和()?A B C ;(8)()??A B C 和()??A B C 。
解 (1
)23A x y z
+-===-e e e A a e e e A (2)-=A B (23)(4)x y z y z +---+=e e e e
e 64x y z +-=e e e (3)=A B (23)x y z +-e e e (4)y z -+=e e -11
(4)由 c o s AB θ
=
8==A B A B ,得 1c o s AB θ-
=(135.5= (5)A 在B 上的分量 B A =A c o s AB θ
=
=A B B (6)?=A C 1
235
02x
y z
-=-e e e 41310x y z ---e e e (7)由于?=B C 04
15
02x y
z
-=-e e e 8520x y z ++e e e
所以 ()?=A B C (23)x y z +-e e e (8520)42x y z ++=-e e e
(8)()??=A B C 10145
02
x y
z
---=-e e e 2405x y z -+e e e
1.2 三角形的三个顶点为1(0,1,2)P -、2(4,1,3)P -和3(6,2,5)P 。 (1)判断123
PP P ?是否为一直角三角形; (2)求三角形的面积。
解 (1)三个顶点1(0,1,2)P -、2(4,1,3)P -和3(6,2,5)P 的位置矢量分别为 12y z =-r e e ,243x y z =+-r e e e ,3625x y z =++r e e e 则 12214x z =-=-R r r e e , 233228x y z =-=++R r r e e e , 由此可见
故123
PP P ?为一直角三角形。 (2)三角形的面积
1223
1221117.1322S =?=?=R R R R
1.3 求(3,1,4)P '-点到(2,2,3)P -点的距离矢量R 及R 的方向。
解 34P x y z '=-++r e e e ,223P x y z =-+r e e e ,
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则 53P P
P P x y z ''=-=--R r r e e e
且P P 'R 与x 、y 、z 轴的夹角分别为
1.4 给定两矢量234x y z =+-A e e e 和456x y z =-+B e e e ,求它们之间的夹角和A 在
B 上的分量。
解 A 与B 之间的夹角为
11cos (
)cos 131θ--===AB A B A B A 在B 上的分量为 3.53277
B A ===-B A
B 1.5 给定两矢量234x y z =+-A e e e 和64x y z =--+B e e e ,求?A B 在x y z
=-+C e e e 上的分量。
解 ?=A B 234641
x y z
-=--e e e 132210x y z -++e e e
所以?A B 在C 上的分量为
()?=
C A B ()14.43?==-A B C C 1.6 证明:如果A B =A C 和?=A B ?A C ,则=B C ; 解 由?=A B ?A C ,则有()()??=??A A B A A C ,即 由于A B =A C ,于是得到 ()()=A A B A A C 故 =B C
1.7 如果给定一未知矢量与一已知矢量的标量积和矢量积,那么便可以确定该未知矢量。设A 为一已知矢量,p =A X 而=?P A X ,p 和P 已知,试求X 。
解 由=?P A X ,有 故得 p -?=
A A P X A A
1.8 在圆柱坐标中,一点的位置由2(4,,3)3
π定出,求该点在:(1)直角坐标中的坐标;
(2)球坐标中的坐标。
解 (1)在直角坐标系中 4c o s (
2
3)2x π==-、4sin(23)
y π==3z =
故该点的直角坐标为(2,
-。
(2)在球坐标系中 5r ==、1tan (43)53.1θ-==、2120φπ== 故该点的球坐标为(5,53.1,120)
1.9 用球坐标表示的场2
25r r
=E e ,
(1)求在直角坐标中点(3,4,5)--处的E 和x E ;
(2)求在直角坐标中点(3,4,5)--处E 与矢量22x y z =-+B e e e 构成的夹角。 解 (1)在直角坐标中点(3,4,5)--处,2222(3)4(5)50r =-++-=,故 (2)在直角坐标中点(3,4,5)--处,345x y z =-+-r e e e ,所以
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故E 与B 构成的夹角为
11cos (
)cos (153.63θ--===EB E B E B 1.10 球坐标中两个点111(,,)r θφ和222(,,)r θφ定出两个位置矢量1R 和2R 。证明1R 和2
R 间夹角的余弦为
解 由 111111111sin cos sin sin cos x y z r r r θφθφθ=++R e e e 得到 12
12
cos γ=
=R R R R
1.11 一球面S 的半径为5,球心在原点上,计算:
(3sin )d r S
θ?e S 的值。
解
(3sin )d (3sin )d r
r
r
S
S
S θθ==??e S e e 22
20
d 3sin 5
sin d 75π
π
φθθθπ?=??
1.12 在由5r =、0z =和4z =围成的圆柱形区域,对矢量22r z r z =+A e e 验证散度定理。
解 在圆柱坐标系中 21()(2)32rr z r r r z
??
?=
+=+??A 所以 4
250
d d d (32)d 1200z r r r π
τ
τφπ?=+=????A 又 2d (2)(d d d )r z r r z z S
S
r z S S S φφ=+++=?
?A S e e e e e
故有
d 1200τ
τπ?=?A d S
=?A S 1.13 求(1)矢量22222324x y z x x y x y z =++A e e e 的散度;(2)求?A 对中心在原点的
一个单位立方体的积分;(3)求A 对此立方体表面的积分,验证散度定理。
解 (1)222223
2222()()(24)2272x x y x y z x x y x y z x y z
????=++=++???A (2)?A 对中心在原点的一个单位立方体的积分为 (3)A 对此立方体表面的积分
故有 1d 24τ
τ?=?A d S
=?A S
1.14 计算矢量r 对一个球心在原点、半径为a 的球表面的积分,并求?r 对球体积的积
分。
解
223
d d d sin d 4r S
S
S aa a ππ
φθθπ=
=
=????r S r e 又在球坐标系中,2
2
1()3r r r r
??==?r ,所以 1.15 求矢量22x y z x x y z =++A e e e 沿xy 平面上的一个边长为2的正方形回路的线积分,此正方形的两边分别与x 轴和y 轴相重合。再求??A 对此回路所包围的曲面积分,验证斯托
克斯定理。