一章习题解答1.1 给定三个矢量A 、B 和C 如下： 23x y z =+-A e e e4y z =-+B e e52x z =-C e e求：（1）A a ；（2）-A B ；（3）A B g ；（4）AB θ；（5）A 在B 上的分量；（6）⨯A C ； （7）()⨯A B C g 和()⨯A B C g ；（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 ee 64x y z +-=e e e （3）=A B g (23)x y z +-e e e (4)y z -+=e e g －11（4）由 cos AB θ===A B A B g ，得 1cos AB θ-=(135.5=o （5）A 在B 上的分量 B A =A cos AB θ==A B B g （6）⨯=A C 123502x y z-=-e e e 41310x y z ---e e e （7）由于⨯=B C 041502x yz-=-e e e 8520x y z ++e e e ⨯=A B 123041xyz-=-e e e 1014x y z ---e e e所以 ()⨯=A B C g (23)x y z +-e e e g (8520)42x y z ++=-e e e ()⨯=A B C g (1014)x y z ---e e e g (52)42x z -=-e e（8）()⨯⨯=A B C 1014502x y z---=-e e e 2405x y z -+e e e()⨯⨯=A B C 1238520xy z -=e e e 554411x y z --e e e1.2 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123PP 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 ，311367x y z =-=---R r r e e e由此可见1223(4)(28)0x z x y z =-++=R R e e e e e g g故123PP P ∆为一直角三角形。

（2）三角形的面积122312231117.1322S =⨯=⨯==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 ，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11cos ()cos 32.31x P P x P P φ--''===e R R o g11cos ()cos 120.47y P Py P P φ'--'===e R R o g11cos ()cos (99.73z P P z P P φ--''===e R R o g1.4 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 o g A 在B 上的分量为3.532B A ===-B A B g1.5 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 234641xy z-=--e e e 132210x y z -++e e e 所以⨯A B 在C 上的分量为 ()⨯=C AB ()14.43⨯==-A BC C g1.6 证明：如果A B g =A C g和⨯=A B ⨯A C ，则=B C ； 解 由⨯=A B ⨯A C ，则有()()⨯⨯=⨯⨯A A B A A C ，即()()()()-=-A B A A A B A C A A A C g g g g由于A B g =A C g，于是得到 ()()=A A B A A C g g 故 =B C1.7 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 g 而=⨯P A X ，p 和P 已知，试求X 。

解 由=⨯P A X ，有()()()()p ⨯=⨯⨯=-=-A P A A X A X A A A X A A A X g g g 故得 p -⨯=A A P X A A g 1.8 在圆柱坐标中，一点的位置由2(4,,3)3π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 4cos(23)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-==o 、2120φπ==o 故该点的球坐标为(5,53.1,120)o o1.9 用球坐标表示的场225rr =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22512rr ==E e1cos220x x rx E θ====-e E E g（2）在直角坐标中点(3,4,5)--处，345x y z =-+-r e e e ，所以233452525r r -+-===e e e r E故E 与B 构成的夹角为11cos ()cos (153.63θ--===EB E B E B o g g 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2R 间夹角的余弦为121212cos cos cos sin sin cos()γθθθθφφ=+-解 由 111111111sin cos sin sin cos x y z r r r θφθφθ=++R e e e222222222sin cos sin sin cos x y z r r r θφθφθ=++R e e e得到 1212cos γ==R R R R g1122112212sin cos sin cos sin sin sin sin cos cos θφθφθφθφθθ++=121211212sin sin (cos cos sin sin )cos cos θθφφφφθθ++= 121212sin sin cos()cos cos θθφφθθ-+1.11 一球面S 的半径为5，球心在原点上，计算： (3sin )d r Sθ⎰e S g Ñ的值。

解(3sin )d (3sin )d rrrSSS θθ==⎰⎰e S e eg g 蜒222d 3sin 5sin d 75ππφθθθπ⨯=⎰⎰ 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 g 所以 4250d d d (32)d 1200z r r r πττφπ∇=+=⎰⎰⎰⎰A g 又2d (2)(d d d )rz r r z z SSrz S S S φφ=+++=⎰⎰A S e e e e e g g 蜒42522000055d d 24d d 1200z r r ππφφπ⨯+⨯=⎰⎰⎰⎰故有d 1200ττπ∇=⎰A g d S=⎰A S g Ñ 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 g 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）2222232222()()(24)2272x x y x y z x x y x y z x y z∂∂∂∇=++=++∂∂∂A g（2）∇A g 对中心在原点的一个单位立方体的积分为1121222221212121d (2272)d d d 24x x y x y z x y z ττ---∇=++=⎰⎰⎰⎰A g （3）A 对此立方体表面的积分1212112221212121211d ()d d ()d d 22S y z y z ----=--+⎰⎰⎰⎰⎰A S g Ñ 1212121222221212112112()d d 2()d d 22x x z x x z ------+⎰⎰⎰⎰ 121212122232231212121211124()d d 24()d d 2224x y x y x y x y ------=⎰⎰⎰⎰ 故有1d 24ττ∇=⎰A g d S=⎰A Sg Ñ 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 g 对球体积的积分。

解223d d d sin d 4r SSS aa a ππφθθπ===⎰⎰⎰⎰r S r e g g 蜒 又在球坐标系中，221()3r r r r∂∇==∂r g ，所以223000d 3sin d d d 4ar r a ππττθθφπ∇==⎰⎰⎰⎰r g 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。

解22222d d d 2d 0d 8Cx x x x y y =-+-=⎰⎰⎰⎰⎰A l g Ñ又 2222xy zx z yz x x y z xx y z∂∂∂∇⨯==+∂∂∂e e e A e e 所以 2200d (22)d d 8xzzSyz x x y ∇⨯=+=⎰⎰⎰A S e e eg g故有d 8C=⎰A l g Ñd S=∇⨯⎰A S g1.16 求矢量2x y x xy =+A e e 沿圆周222x y a +=的线积分，再计算∇⨯A 对此圆面积的积分。