11.2.2 Problem Solving using 3D Vectors
Solving problems using 3D vectors involves extending the concepts of vector addition , scalar (dot) products , vector (cross) products , and vector components from 2D to three dimensions. These techniques are useful in physics, engineering, and other fields where quantities like force, velocity, and displacement operate in three-dimensional space.
1. Understanding 3D Vectors
2. Basic Operations with 3D Vectors
a) Vector Addition and Subtraction
If a = ( a x a y a z ) \mathbf{a} = \begin{pmatrix} a_x \\ a_y \\ a_z \end{pmatrix} a = โ a x โ a y โ a z โ โ โ and b = ( b x b y b z ) \mathbf{b} = \begin{pmatrix} b_x \\ b_y \\ b_z \end{pmatrix} b = โ b x โ b y โ b z โ โ โ , then:
a + b = ( a x + b x a y + b y a z + b z ) \mathbf{a} + \mathbf{b} = \begin{pmatrix} a_x + b_x \\ a_y + b_y \\ a_z + b_z \end{pmatrix} a + b = โ a x โ + b x โ a y โ + b y โ a z โ + b z โ โ โ
a โ b = ( a x โ b x a y โ b y a z โ b z ) \mathbf{a} - \mathbf{b} = \begin{pmatrix} a_x - b_x \\ a_y - b_y \\ a_z - b_z \end{pmatrix} a โ b = โ a x โ โ b x โ a y โ โ b y โ a z โ โ b z โ โ โ
b) Magnitude of a Vector
The magnitude (length) of a vector v = ( v x v y v z ) \mathbf{v} = \begin{pmatrix} v_x \\ v_y \\ v_z \end{pmatrix} v = โ v x โ v y โ v z โ โ โ is given by:
โฃ v โฃ = v x 2 + v y 2 + v z 2 |\mathbf{v}| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2 + v_z^2} โฃ v โฃ = v x 2 โ + v y 2 โ + v z 2 โ โ
c) Dot Product
The dot product of two vectors a = ( a x a y a z ) \mathbf{a} = \begin{pmatrix} a_x \\ a_y \\ a_z \end{pmatrix} a = โ a x โ a y โ a z โ โ โ and b = ( b x b y b z ) \mathbf{b} = \begin{pmatrix} b_x \\ b_y \\ b_z \end{pmatrix} b = โ b x โ b y โ b z โ โ โ is:
a โ
b = a x b x + a y b y + a z b z \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = a_x b_x + a_y b_y + a_z b_z a โ
b = a x โ b x โ + a y โ b y โ + a z โ b z โ
This is also equal to:
a โ
b = โฃ a โฃ โฃ b โฃ cos โก ฮธ \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = |\mathbf{a}| |\mathbf{b}| \cos \theta a โ
b = โฃ a โฃโฃ b โฃ cos ฮธ
where ฮธ \theta ฮธ is the angle between the vectors .
d) Cross Product
The cross product of two vectors a = ( a x a y a z ) \mathbf{a} = \begin{pmatrix} a_x \\ a_y \\ a_z \end{pmatrix} a = โ a x โ a y โ a z โ โ โ and b = ( b x b y b z ) \mathbf{b} = \begin{pmatrix} b_x \\ b_y \\ b_z \end{pmatrix} b = โ b x โ b y โ b z โ โ โ is:
a ร b = โฃ i j k a x a y a z b x b y b z โฃ = ( a y b z โ a z b y a z b x โ a x b z a x b y โ a y b x ) \mathbf{a} \times \mathbf{b} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ a_x & a_y & a_z \\ b_x & b_y & b_z \end{vmatrix} = \begin{pmatrix} a_y b_z - a_z b_y \\ a_z b_x - a_x b_z \\ a_x b_y - a_y b_x \end{pmatrix} a ร b = โ i a x โ b x โ โ j a y โ b y โ โ k a z โ b z โ โ โ = โ a y โ b z โ โ a z โ b y โ a z โ b x โ โ a x โ b z โ a x โ b y โ โ a y โ b x โ โ โ
The cross product gives a vector that is perpendicular to both a \mathbf{a} a and b \mathbf{b} b , with a magnitude equal to the area of the parallelogram formed by a \mathbf{a} a and b \mathbf{b} b .
3. Problem-Solving Examples
Problem:
Find the angle between the vectors a = ( 3 โ 2 4 ) \mathbf{a} = \begin{pmatrix} 3 \\ -2 \\ 4 \end{pmatrix} a = โ 3 โ 2 4 โ โ and b = ( 1 4 โ 2 ) \mathbf{b} = \begin{pmatrix} 1 \\ 4 \\ -2 \end{pmatrix} b = โ 1 4 โ 2 โ โ .
Solution:
Dot Product:
a โ
b = 3 ร 1 + ( โ 2 ) ร 4 + 4 ร ( โ 2 ) = 3 โ 8 โ 8 = : h i g h l i g h t [ โ 13 ] \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = 3 \times 1 + (-2) \times 4 + 4 \times (-2) = 3 - 8 - 8 = :highlight[-13] a โ
b = 3 ร 1 + ( โ 2 ) ร 4 + 4 ร ( โ 2 ) = 3 โ 8 โ 8 =: hi g h l i g h t [ โ 13 ]
Magnitudes:
โฃ a โฃ = 3 2 + ( โ 2 ) 2 + 4 2 = 9 + 4 + 16 = : h i g h l i g h t [ 29 ] |\mathbf{a}| = \sqrt{3^2 + (-2)^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 4 + 16} = :highlight[\sqrt{29}] โฃ a โฃ = 3 2 + ( โ 2 ) 2 + 4 2 โ = 9 + 4 + 16 โ =: hi g h l i g h t [ 29 โ ]
โฃ b โฃ = 1 2 + 4 2 + ( โ 2 ) 2 = 1 + 16 + 4 = : h i g h l i g h t [ 21 ] |\mathbf{b}| = \sqrt{1^2 + 4^2 + (-2)^2} = \sqrt{1 + 16 + 4} = :highlight[\sqrt{21}] โฃ b โฃ = 1 2 + 4 2 + ( โ 2 ) 2 โ = 1 + 16 + 4 โ =: hi g h l i g h t [ 21 โ ]
Angle ฮธ \theta ฮธ :
cos โก ฮธ = a โ
b โฃ a โฃ โฃ b โฃ = โ 13 29 โ
21 = โ 13 609 \cos \theta = \frac{\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}}{|\mathbf{a}| |\mathbf{b}|} = \frac{-13}{\sqrt{29} \cdot \sqrt{21}} = \frac{-13}{\sqrt{609}} cos ฮธ = โฃ a โฃโฃ b โฃ a โ
b โ = 29 โ โ
21 โ โ 13 โ = 609 โ โ 13 โ
ฮธ = cos โก โ 1 ( โ 13 609 ) โ : h i g h l i g h t [ 126.8 7 โ ] \theta = \cos^{-1}\left(\frac{-13}{\sqrt{609}}\right) \approx :highlight[126.87^\circ] ฮธ = cos โ 1 ( 609 โ โ 13 โ ) โ: hi g h l i g h t [ 126.8 7 โ ]
The angle between the vectors is approximately 126.87ยฐ .
Problem:
Find the area of the parallelogram formed by vectors a = ( 2 3 1 ) \mathbf{a} = \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ 1 \end{pmatrix} a = โ 2 3 1 โ โ and b = ( 1 โ 1 4 ) \mathbf{b} = \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix} b = โ 1 โ 1 4 โ โ .
Solution:
Cross Product:
a ร b = ( 3 ร 4 โ 1 ร ( โ 1 ) 1 ร 1 โ 2 ร 4 2 ร ( โ 1 ) โ 3 ร 1 ) = ( 12 + 1 1 โ 8 โ 2 โ 3 ) = ( : h i g h l i g h t [ 13 ] : h i g h l i g h t [ โ 7 ] : h i g h l i g h t [ โ 5 ] ) \mathbf{a} \times \mathbf{b} = \begin{pmatrix} 3 \times 4 - 1 \times (-1) \\ 1 \times 1 - 2 \times 4 \\ 2 \times (-1) - 3 \times 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 12 + 1 \\ 1 - 8 \\ -2 - 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} :highlight[13] \\ :highlight[-7] \\ :highlight[-5] \end{pmatrix} a ร b = โ 3 ร 4 โ 1 ร ( โ 1 ) 1 ร 1 โ 2 ร 4 2 ร ( โ 1 ) โ 3 ร 1 โ โ = โ 12 + 1 1 โ 8 โ 2 โ 3 โ โ = โ : hi g h l i g h t [ 13 ] : hi g h l i g h t [ โ 7 ] : hi g h l i g h t [ โ 5 ] โ โ
Magnitude of the Cross Product:
โฃ a ร b โฃ = 1 3 2 + ( โ 7 ) 2 + ( โ 5 ) 2 = 169 + 49 + 25 = 243 โ : h i g h l i g h t [ 15.59 ] |\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = \sqrt{13^2 + (-7)^2 + (-5)^2} = \sqrt{169 + 49 + 25} = \sqrt{243} \approx :highlight[15.59] โฃ a ร b โฃ = 1 3 2 + ( โ 7 ) 2 + ( โ 5 ) 2 โ = 169 + 49 + 25 โ = 243 โ โ: hi g h l i g h t [ 15.59 ]
The area of the parallelogram is approximately 15.59 square units .
Problem:
Find the volume of the parallelepiped formed by the vectors a = ( 1 2 3 ) \mathbf{a} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} a = โ 1 2 3 โ โ , b = ( 4 0 1 ) \mathbf{b} = \begin{pmatrix} 4 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} b = โ 4 0 1 โ โ , and c = ( 2 โ 1 2 ) \mathbf{c} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix} c = โ 2 โ 1 2 โ โ .
Solution:
Cross Product b ร c \mathbf{b} \times \mathbf{c} b ร c :
b ร c = ( 0 ร 2 โ 1 ร ( โ 1 ) 1 ร 2 โ 4 ร 2 4 ร ( โ 1 ) โ 0 ร 2 ) = ( 0 + 1 2 โ 8 โ 4 โ 0 ) = ( : h i g h l i g h t [ 1 ] : h i g h l i g h t [ โ 6 ] : h i g h l i g h t [ โ 4 ] ) \mathbf{b} \times \mathbf{c} = \begin{pmatrix} 0 \times 2 - 1 \times (-1) \\ 1 \times 2 - 4 \times 2 \\ 4 \times (-1) - 0 \times 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 + 1 \\ 2 - 8 \\ -4 - 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} :highlight[1] \\ :highlight[-6] \\ :highlight[-4] \end{pmatrix} b ร c = โ 0 ร 2 โ 1 ร ( โ 1 ) 1 ร 2 โ 4 ร 2 4 ร ( โ 1 ) โ 0 ร 2 โ โ = โ 0 + 1 2 โ 8 โ 4 โ 0 โ โ = โ : hi g h l i g h t [ 1 ] : hi g h l i g h t [ โ 6 ] : hi g h l i g h t [ โ 4 ] โ โ
Dot Product a โ
( b ร c ) \mathbf{a} \cdot (\mathbf{b} \times \mathbf{c}) a โ
( b ร c ) :
a โ
( b ร c ) = 1 ร 1 + 2 ร ( โ 6 ) + 3 ร ( โ 4 ) = 1 โ 12 โ 12 = : h i g h l i g h t [ โ 23 ] \mathbf{a} \cdot (\mathbf{b} \times \mathbf{c}) = 1 \times 1 + 2 \times (-6) + 3 \times (-4) = 1 - 12 - 12 = :highlight[-23] a โ
( b ร c ) = 1 ร 1 + 2 ร ( โ 6 ) + 3 ร ( โ 4 ) = 1 โ 12 โ 12 =: hi g h l i g h t [ โ 23 ]
Volume (absolute value):
V = โฃ a โ
( b ร c ) โฃ = โฃ โ 23 โฃ = : h i g h l i g h t [ 23 ] ย cubicย units V = | \mathbf{a} \cdot (\mathbf{b} \times \mathbf{c}) | = |-23| = :highlight[23] \text{ cubic units} V = โฃ a โ
( b ร c ) โฃ = โฃ โ 23โฃ =: hi g h l i g h t [ 23 ] ย cubicย units
The volume of the parallelepiped is 23 cubic units .
Summary