向量积
一种在向量空间中向量的二元运算
向量积,数学中又称外积叉积,物理中称矢积叉乘,是向量空间中的向量的一种二元运算。与点积不同,它的运算结果是一个向量而不是一个标量。并且两个向量的叉积与这两个向量和垂直。其应用也十分广泛,通常应用于物理学光学计算机图形学中。
基本概念
表示方法
两个向量a和b的叉积写作a×b(有时也被写成a∧b,避免和字母x混淆)。
定义
向量积可以被定义为:
模:(共起点的前提下,在这里θ表示两向量之间的夹角(0°≤θ≤180°),它位于这两个向量所定义的平面上。)
方向:a向量与b向量的向量积的方向与这两个向量所在平面垂直,且遵守右手定则。(一个简单的确定满足“右手定则”的结果向量的方向的方法是这样的:若坐标系是满足右手定则的,当右手的四指从a以不超过180度的转角转向b时,竖起的大拇指指向是c的方向。)
也可以这样定义(等效):
向量积|c|=|a×b|=|a||b|sin
即c的长度在数值上等于以a,b,夹角为θ组成的平行四边形的面积。
而c的方向垂直于a与b所决定的平面,c的指向按右手定则从a转向b来确定。
运算结果c是一个伪向量。这是因为在不同的坐标系中c可能不同。
坐标运算
设。i,j,k分别是x,y,z轴方向的单位向量,则:
为了帮助记忆,利用三阶行列式,写成
坐标形式:
证明
为了更好地推导,需要加入三个轴对齐的单位向量i,j,k。
i,j,k满足以下特点:
由此可知,i,j,k是三个相互垂直的向量,它们刚好可以构成一个坐标系。
这三个向量的特例就是 i =(1,0,0),j =(0,1,0),k =(0,0,1)
对于处于i,j,k构成的坐标系中的向量u,v可以如下表示:
那么
根据上面的i,j,k三个向量的特点,最后的结果可以简化为
与数量积的区别
注:向量积≠向量的积(向量的积一般指点乘)
一定要清晰地区分开向量积(矢积)与数量积(标积)。见下表:
性质
1. 若两向量a与b不共线,则|a×b|等于以|a|和|b|为邻边的平行四边形的面积。
2. 两向量a与b共线a×b=0
几何意义
叉积的长度|a×b|可以解释成这两个叉乘向量a,b共起点时,所构成平行四边形的面积。据此有:混合积[abc]=(a×b)·c可以得到以a,b,c为棱的平行六面体的体积。
代数规则
1、反交换律:
2、加法的分配律:
3、与标量乘法兼容:
4、不满足结合律,但满足雅可比恒等式
5、分配律、线性性和雅可比恒等式表明:具有向量加法和叉积的R3构成了一个李代数
6、对于两个非零向量a,b,有
拉格朗日公式(二重向量叉乘化简公式)
这是一个著名的公式,而且非常有用。
证明:
设向量坐标,则
这就是“二重向量叉乘化简公式”,即向量领域的“拉格朗日公式”:
第二行公式的等号右侧有记忆口诀:“bac-cab”。这个公式在物理中简化向量运算非常有效。
需要注意的是,这个公式对微分算子不成立。
这里给出一个和梯度相关的一个情形:
这是一个霍奇拉普拉斯算子的霍奇分解的特殊情形。
另一个有用的拉格朗日恒等式是:
这是一个在四元数代数中范数乘法|vw|=|v||w|的特殊情形。
矩阵形式
给定直角坐标系的单位向量i,j,k满足下列等式:
通过这些规则,两个向量的叉积的坐标可以方便地计算出来,不需要考虑任何角度:
设,
叉积也可以用四元数来表示:
注意到上述i,j,k之间的叉积满足四元数的乘法。一般而言,若将向量表示成四元数,两个向量的叉积可以这样计算:计算两个四元数的乘积得到一个四元数,并将这个四元数的实部去掉,即为结果。
更多关于四元数乘法、向量运算及其几何意义参见四元数(空间旋转)。
高维情形
七维向量的叉积可以通过八元数得到,与上述的四元数方法相同。
七维叉积具有与三维叉积相似的性质:
双线性性:
反交换律:
同时与x和y垂直:
拉格朗日恒等式:
不同于三维情形,它并不满足雅可比恒等式:
应用
在物理学光学和计算机图形学中,叉积被用于求物体光照相关问题。
求解光照的核心在于求出物体表面法线,而叉积运算保证了只要已知物体表面的两个非平行矢量(或者不在同一直线的三个点),就可依靠叉积求得法线。
参考资料
最新修订时间:2026-01-01 13:58
目录
概述
基本概念
参考资料