SOLUTIONS MANUAL
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ORBITAL MECHANICS FOR ENGINEERING STUDENTS
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Solutions Manual Orbital Mechanics for Engineering Students Fourth Edition Chapter 1
Howard D. Curtis 1–1
Problem 1.1 Given the three vectors
A=A x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k,
B=B x ˆ i+B y ˆ j+B z ˆ k and
C=C x ˆ i+C y ˆ j+C z ˆ k, show analytically that
(a) A⋅A=A 2
(b)
A⋅B×C
( )=A×B( )⋅C
(c)
A×B×C
( )=B A⋅C( )−C A⋅B( )
Solution
A⋅A=A
x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k
( ) ⋅A
x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k
- )
=A x ˆ i⋅A x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k
( ) +A
y ˆ j⋅A x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k
( ) +A
z ˆ k⋅A x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k
- )
=A x 2 ˆ i⋅ ˆ i( )+A x A y ˆ i⋅ ˆ j( )+A x A z ˆ i⋅ ˆ k( )⎡ ⎣ ⎤ ⎦ +A y A x ˆ j⋅ ˆ i( )+A y 2 ˆ j⋅ ˆ j( )+A y A z ˆ j⋅ ˆ k( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ +A z A x ˆ k⋅ ˆ i( )+A z A y ˆ k⋅ ˆ j( )+A z 2 ˆ k⋅ ˆ k( )⎡ ⎣ ⎤ ⎦
=A x 2
1( )+A
x A y
0( )+A
x A z
0( )⎡
⎣ ⎤ ⎦ +A y A x
0( )+A
y 2
1( )+A
y A z
0( )⎡
⎣ ⎤ ⎦ +A z A x
0( )+A
z A y
0( )+A
z 2
1( )⎡
⎣ ⎤ ⎦
=A x 2 +A y 2 +A z 2
But, according to the Pythagorean Theorem,
A x 2+A y 2+A z 2=A 2 , where
A=A, the magnitude of the vector
- Thus
A⋅A=A
2 .
(b)
A⋅B×C
( )=A⋅
ˆ i ˆ j ˆ k B x B y B z C x C y C z
=A x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k( ) ⋅ ˆ iB y C z −B z C y( ) − ˆ jB x C z −B z C x
A( ) +
ˆ kB x C y −B y C x( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦
=A x B y C z −B z C y( ) −A y B x C z −B z C x( ) +A z B x C y −B y C x( )
or
A⋅B×C
- )=A
x B y C z +A y B z C x +A z B x C y −A x B z C y −A y B x C z −A z B y C x (1)
Note that
A×B
( )⋅C=C⋅A×B ( )
, and according to (1)
C⋅A×B
- )=C
x A y B z +C y A z B x +C z A x B y −C x A z B y −C y A x B z −C z A y B x (2)
The right hand sides of (1) and (2) are identical. Hence
A⋅B×C
( )=A×B( )⋅C
.
(c) 2 / 4
Solutions Manual Orbital Mechanics for Engineering Students Fourth Edition Chapter 1
Howard D. Curtis 1–2
A×B×C
- )=A
x ˆ i+A y ˆ j+A z ˆ k
( ) ×
ˆ i ˆ j ˆ k B x B y B z C x C y C z= ˆ i ˆ j ˆ k A x A y A z B y C z −B z C y B z C x −B x C y B x C y −B y C x
=A y B x C y −B y C x( ) −A z B z C x −B x C z( )⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ i+A z B y C z −B z C y( ) −A x B x C y −B y C x( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ j +A x B z C x −B x C z( ) −A y B y C z −B z C y( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ k
=A y B x C y +A z B x C z −A y B y C x −A z B z C x( ) ˆ i+A x B y C x +A z B y C z −A x B x C y −A z B z C y( ) ˆ j +A x B z C x +A y B z C y −A x B x C z −A y B y C z( ) ˆ k
=B x A y C y +A z C z( ) −C x A y B y +A z B z( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ i+B y A x C x +A z C z( ) −C y A x B x +A z B z( )⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ j +B z A x C x +A y C y( ) −C z A x B x +A y B y( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ k
Add and subtract the underlined terms to get
A×B×C
- )=B
- )
- )
- )
x A y C y +A z C z +A x C x
−C x A y B y +A z B z +A x B x( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ i +B y A x C x +A z C z +A y C y
−C y A x B x +A z B z +A y B y( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ j +B z A x C x +A y C y +A z C z
−C z A x B x +A y B y +A z B z( ) ⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ˆ k
=B x ˆ i+B y ˆ j+B z ˆ k
- ) A
- ) A
x C x +A y C y +A z C z( ) −C x ˆ i+C y ˆ j+C z ˆ k
x B x +A y B y +A z B z( )
=B x ˆ i+B y ˆ j+B z ˆ k
( ) A⋅C( )−C
x ˆ i+C y ˆ j+C z ˆ k
( ) A⋅B( )
Or,
A×B×C
( )=B A⋅C( )−C A⋅B( )
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Solutions Manual Orbital Mechanics for Engineering Students Fourth Edition Chapter 1
Howard D. Curtis 1–3
Problem 1.2 Use just the vector identities in Problem 1.1 to show that
A×B
( )⋅C×D( )=A⋅C( )B⋅D( )−A⋅D( )B⋅C( )
Solution
From Problem 1.1(b)
A×B
( )⋅C×D( ) = A×B( )×C[ ] ⋅D
(1)
But
A×B
( )×C[ ] ⋅D=− C×A×B ( )[ ] ⋅D
Using Problem 1.1(c) on the right yields
A×B
( )×C[ ] ⋅D=−A C⋅B ( )−B C⋅A( )[ ]⋅D
or
A×B
( )×C[ ] ⋅D=−A⋅D ( )C⋅B( )+B⋅D( )C⋅A( )
(2)
Substituting (2) into (1) we get
A×B
( )⋅C×D( )=A⋅C( )B⋅D( )−A⋅D( )B⋅C( )
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