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向量的外積表達式與方向。

向量積,數學中又稱外積、叉積,物理中稱矢積、叉乘,是壹種在向量空間中向量的二元運算。與點積不同,它的運算結果是壹個向量而不是壹個標量。並且兩個向量的叉積與這兩個向量和垂直。其應用也十分廣泛,通常應用於物理學光學和計算機圖形學中。

兩個向量a和b的叉積寫作a×b(有時也被寫成a∧b,避免和字母x混淆)。?[1]?

定義

向量積可以被定義為:。

模長:(在這裏θ表示兩向量之間的夾角(***起點的前提下)(0°≤θ≤180°),它位於這兩個矢量所定義的平面上。)

方向:a向量與b向量的向量積的方向與這兩個向量所在平面垂直,且遵守右手定則。(壹個簡單的確定滿足“右手定則”的結果向量的方向的方法是這樣的:若坐標系是滿足右手定則的,當右手的四指從a以不超過180度的轉角轉向b時,豎起的大拇指指向是c的方向。)

也可以這樣定義(等效):

向量積|c|=|a×b|=|a||b|sin<a,b>

即c的長度在數值上等於以a,b,夾角為θ組成的平行四邊形的面積。

而c的方向垂直於a與b所決定的平面,c的指向按右手定則從a轉向b來確定。

*運算結果c是壹個偽向量。這是因為在不同的坐標系中c可能不同。?[1]?

坐標運算

設=(),=()。i,j,k分別是X,Y,Z軸方向的單位向量,則?[1]?:

a×b=(-)i+(-)j+(-)k,為了幫助記憶,利用三階行列式,寫成det

證明

為了更好地推導,我們需要加入三個軸對齊的單位向量i,j,k。

i,j,k滿足以下特點:

i=jxk;j=kxi;k=ixj;

kxj=–i;ixk=–j;jxi=–k;

ixi=jxj=kxk=0;(0是指0向量)

由此可知,i,j,k是三個相互垂直的向量。它們剛好可以構成壹個坐標系。

這三個向量的特例就是i=(1,0,0)j=(0,1,0)k=(0,0,1)。

對於處於i,j,k構成的坐標系中的向量u,v我們可以如下表示:

u=Xu*i+Yu*j+Zu*k;

v=Xv*i+Yv*j+Zv*k;

那麽uxv=(Xu*i+Yu*j+Zu*k)x(Xv*i+Yv*j+Zv*k)

=Xu*Xv*(ixi)+Xu*Yv*(ixj)+Xu*Zv*(ixk)+Yu*Xv*(jxi)+Yu*Yv*(jxj)+Yu*Zv*(jxk)+Zu*Xv*(kxi)+Zu*Yv*(kxj)+Zu*Zv*(kxk)

由於上面的i,j,k三個向量的特點,所以,最後的結果可以簡化為

uxv=(Yu*Zv–Zu*Yv)*i+(Zu*Xv–Xu*Zv)*j+(Xu*Yv–Yu*Xv)*k。?[1]?

與數量積的區別

註:向量積≠向量的積(向量的積壹般指點乘)

壹定要清晰地區分開向量積(矢積)與數量積(標積)。見下表。

幾何意義及其運用

叉積的長度|a×b|可以解釋成這兩個叉乘向量a,b***起點時,所構成平行四邊形的面積。據此有:混合積[abc]=(a×b)·c可以得到以a,b,c為棱的平行六面體的體積。?[1]?

代數規則

1、反交換律:a×b=-b×a

2、加法的分配律:a×(b+c)=a×b+a×c。

3、與標量乘法兼容:(ra)×b=a×(rb)=r(a×b)。

4、不滿足結合律,但滿足雅可比恒等式:a×(b×c)+b×(c×a)+c×(a×b)=0。

5、分配律,線性性和雅可比恒等式別表明:具有向量加法和叉積的R3構成了壹個李代數。

6、兩個非零向量a和b平行,當且僅當a×b=0。?[1]?

拉格朗日公式

這是壹個著名的公式,而且非常有用:

證明過程

(a×b)×c=b(a·c)-a(b·c)

a×(b×c)=b(a·c)-c(a·b)

證明過程如下:

二重向量叉乘化簡公式及證明

可以簡單地記成“BAC-CAB”。這個公式在物理上簡化向量運算非常有效。需要註意的是,這個公式對微分算子不成立。

這裏給出壹個和梯度相關的壹個情形:

這是壹個霍奇拉普拉斯算子的霍奇分解的特殊情形。

另壹個有用的拉格朗日恒等式是:

這是壹個在四元數代數中範數乘法|vw|=|v||w|的特殊情形。?[2]?

矩陣形式

給定直角坐標系的單位向量i,j,k滿足下列等式:

i×j=k;

j×k=i;

k×i=j;

通過這些規則,兩個向量的叉積的坐標可以方便地計算出來,不需要考慮任何角度:設

a=[a1,a2,a3]=a1i+a2j+a3k;

b=[b1,b2,b3]=b1i+b2j+b3k;

則a×b=[a2b3-a3b2,a3b1-a1b3,a1b2-a2b1]。

叉積也可以用四元數來表示。註意到上述i,j,k之間的叉積滿足四元數的乘法。壹般而言,若將向量[a1,a2,a3]表示成四元數a1i+a2j+a3k,兩個向量的叉積可以這樣計算:計算兩個四元數的乘積得到壹個四元數,並將這個四元數的實部去掉,即為結果。更多關於四元數乘法,向量運算及其幾何意義請參看四元數(空間旋轉)。?[2]?

高維情形

七維向量的叉積可以通過八元數得到,與上述的四元數方法相同。

七維叉積具有與三維叉積相似的性質:

雙線性性:x×(ay+bz)=ax×y+bx×z;(ay+bz)×x=ay×x+bz×x;

反交換律:x×y+y×x=0;

同時與x和y垂直:x·(x×y)=y·(x×y)=0;

拉格朗日恒等式:|x×y|?=|x|?|y|?-(x·y)?;

不同於三維情形,它並不滿足雅可比恒等式:x×(y×z)+y×(z×x)+z×(x×y)≠0。

希望我能幫助妳解疑釋惑。