4._向量的外积

向量的外积

向量外积在本课程里用的很少,稍微了解即可,向量外积表示向量张成的平面有向面积

二维向量的外积

假设有向量 a,b\boldsymbol{a} , \boldsymbol{b}a \boldsymbol{a}b \boldsymbol{b} 的逆时针夹角为 θ\theta ,则定义外积为

a×b=absinθ...(二维向量外积)\boxed{ \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} =| \boldsymbol{a} || \boldsymbol{b} | \sin \theta ...\text{(二维向量外积)} }

向量外积表示的是几何意义是:两个向量张成的又向平行四边形的面积

对于向量外积,最大的特点是:a×bb×aa \times b \ne b \times a 即不满足交换律。 从二维向量外积公式可以看到,他的值是 absinθ|a| |b| \sin \thetasinθ \sin \theta 是奇函数,这意味着,从aa转到bb所形成的又向面积和从bb转到aa形成的又向面积大小相等但是方向相反,因此有

a×b=b×a\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} = -\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{a}

这种方向关系不容易在二维平面上体现,因此一般画成三维图,如下图,规定一个方向向上,另外一个乘积的方向就向下,因此外积的方向和a,ba,b 都垂直。

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因此,要研究向量外积,就必须先定义三维向量的方向

外积的物理意义

向量外积的定义并不是凭空产生,学过高中物理的同学应该都知道 楞次定律 , 通电导线在磁场里运动,会产生力。这里导线的运动vv, 磁场的方向BB, 最终产生的力ffv,B,fv,B,f 都是矢量,其定义就是 f=vtimesBf= v times B 物理中有右手法则来计算里的方向,但是和数学好像正好相反。 img-text{width=400px}

三维向量外积

既然二维向量外积表示2个向量形成的面积,那么三维向量外积就表示3个向量组成的又向空间体积。

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左手坐标系和右手坐标系

左手坐标系

对于三维坐标系,一般有两种习俗,左手坐标系和右手坐标系,它们的重点不是在于 zz 轴标注的是哪根,而是三个方向的组合,比如当我们面对计算机平面时,为了作图方便,把 zz 轴指向屏幕里。计算机图形学一般用左手坐标系,

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但是如果我们把左手转90°(如下图右图),这依旧是一个左手坐标系

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右手坐标系

如下图是右手坐标系。 图片{width=300px}

如下图右图,通过右手旋转90度,这依旧是一个右手坐标系

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向量的外积

{a,b,c}\{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}\} 是向量空间 VV 的一个基, 取共同起点 OO, 作 OA=a,OB=b,OC=\overrightarrow{O A}=\boldsymbol{a}, \overrightarrow{O B}=\boldsymbol{b}, \overrightarrow{O C}= c\boldsymbol{c}, 则由基向量 a,b,c\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c} 的排列顺序知, 会出现图 1.6-1 和图 1.6-2 所示的两种情形, 并且有且仅有其中一种情形发生: (1)如图 1.6-1, 将右手拇指指向 a\boldsymbol{a} 的方向, 食指指向 b\boldsymbol{b} 的方向时, 可以自然地将中指指向 cc 的方向, 因此, 在这样的情形下记 {a,b,c}\{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}\} 为右手系的基; (2)如图 1.6-2, 将左手拇指指向 a\boldsymbol{a} 的方向, 食指指向 b\boldsymbol{b} 的方向时, 可以自然地将中指指向 c\boldsymbol{c} 的方向, 因此, 在这样的情形下记 {a,b,c}\{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}\} 为左手系的基.

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一个基是右手系还是左手系, 与基向量的排列顺序密切相关. 容易验证, 如果 {a,b,c}\{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \vec{c}\}是右手系, 则 {b,c,a}\{\boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}, \vec{a}\}{c,a,b}\overrightarrow{\{c, a}, \vec{b}\} 还是右手系, 而 {b,a,c},{a,c,b}\overrightarrow{\{b, a}, \vec{c}\}, \overrightarrow{\{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{c}, \vec{b}\}}{c,b,a}\overrightarrow{\{c}, \boldsymbol{b}, \vec{a}\}是左手系.

定义1a,b\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b} 为空间中的两个向量, 如果 a\boldsymbol{a}b\boldsymbol{b} 平行, 规定 a×b\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} 为零向量; 如果 a\boldsymbol{a}b\boldsymbol{b} 不平行, 定义 a×b\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} 为满足以下条件的向量: (1) a×b\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}a,b\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b} 均垂直; (2) {a,b,a×b}\{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}\} 构成右手系的基; (3) a×b=absina,b|\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}|=|\boldsymbol{a}||\boldsymbol{b}| \sin \langle\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}\rangle.

称向量 a×b\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}a\boldsymbol{a}b\boldsymbol{b} 的外积(exterior product)或向量积.

定理1 两不共线向量 a\boldsymbol{a}b\boldsymbol{b} 的外积的长度 a×b|\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}|, 等于 a\boldsymbol{a}b\boldsymbol{b} 构成的平行四边形的面积.

ee 为单位向量, aa 为任意一个与 ee 垂直的向量. 在空间中取定一点 OO, 则存在唯一一个过点 OO 并与 e\boldsymbol{e} 垂直的平面. 如图 1. 6-3, 作 OA=a,OB=e\overrightarrow{O A}=\boldsymbol{a}, \overrightarrow{O B}=\boldsymbol{e}, 以点 OO 为中心, 将向量 OA\overrightarrow{O A} 逆时针旋转 9090^{\circ}, 得到 取无关. 由图 1. 6-4, 对任意两个与 e\boldsymbol{e} 垂直的向量 a\boldsymbol{a}b\boldsymbol{b}, 有

ρe(a+b)=ρe(a)+ρe(b).\rho_e(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b})=\rho_e(\boldsymbol{a})+\rho_e(\boldsymbol{b}) .

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命题1ee 为单位向量, aa 为任意向量, 则有

e×a=ρe(ae),e \times a=\rho_e\left(a_e^{\perp}\right),

其中 aea_e^{\perp} 是向量 aa 关于 ee 的垂直投影. 证明: 如果 a\boldsymbol{a}e\boldsymbol{e} 平行, 由定义 1, 得 e×a=0=ρe(ae)\boldsymbol{e} \times \boldsymbol{a}=\mathbf{0}=\rho_e\left(\boldsymbol{a}_{\boldsymbol{e}}^{\perp}\right), 命题成立; 如果 a\boldsymbol{a}e\boldsymbol{e} 不平行, 则 e×a\boldsymbol{e} \times \boldsymbol{a}ρe(ae˙)\rho_e(\boldsymbol{a} \dot{e}) 均垂直于 e\boldsymbol{e}a\boldsymbol{a}. 由于

e×a=asina,e=ae=ρe(ae),|e \times a|=|a| \sin \langle\boldsymbol{a}, \boldsymbol{e}\rangle=\left|a_e^{\perp}\right|=\left|\rho_e\left(a_e^{\perp}\right)\right|,

并且 {e,a,e×a}\overrightarrow{\{e, a}, \boldsymbol{e} \times \boldsymbol{a}\}{e,a,ρe(ae)}\left.\overrightarrow{\{e, a}, \rho_e\left(a_e^{\perp}\right)\right\} 都是右手系的基, 即 ρe(ae)\rho_e\left(a_e^{\perp}\right)e×ae \times a 有相同的长度和方向, 故 e×a=ρe(ae)e \times a=\rho_e\left(a_e^{\perp}\right)

命题2 向量的外积满足以下性质: (1) a×b=b×a\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}=-\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{a}; (2) (λa)×b=λ(a×b)(\lambda \boldsymbol{a}) \times \boldsymbol{b}=\lambda(\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}); (3) (a+b)×c=a×c+b×c(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b}) \times \boldsymbol{c}=\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{c}+\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c}. 命题 3 设 {e1,e2,e3}\overrightarrow{\left\{e_1, e_2, \boldsymbol{e}_3\right\}} 为空间的右手系的单位正交基, 向量 a\boldsymbol{a}b\boldsymbol{b} 在这个基下的坐标分别为 (a1,a2,a3)\left(a_1, a_2, a_3\right)(b1,b2,b3)\left(b_1, b_2, b_3\right). 则向量 a×b\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} 在这个基下的坐标为

(a2b3a3b2,a3b1a1b3,a1b2a2b1).\left(a_2 b_3-a_3 b_2, a_3 b_1-a_1 b_3, a_1 b_2-a_2 b_1\right) .
e1×e2=e3,e2×e3=e1,e3×e1=e2.\boldsymbol{e}_1 \times \boldsymbol{e}_2=\boldsymbol{e}_3, \boldsymbol{e}_2 \times \boldsymbol{e}_3=e_1, e_3 \times e_1=e_2 .

依题意, 有

a=a1e1+a2e2+a3e3,b=b1e1+b2e2+b3e3,\boldsymbol{a}=a_1 \boldsymbol{e}_1+a_2 \boldsymbol{e}_2+a_3 \boldsymbol{e}_3, \boldsymbol{b}=b_1 \boldsymbol{e}_1+b_2 \boldsymbol{e}_2+b_3 \boldsymbol{e}_3,

利用命题 2 , 可以得到

a×b=(a1e1+a2e2+a3e3)×(b1e1+b2e2+b3e3)=a1e1×(b1e1+b2e2+b3e3)+a2e2×(b1e1+b2e2+b3e3)+a3e3×(b1e1+b2e2+b3e3)=a1e1×b2e2+a1e1×b3e3+a2e2×b1e1+a2e2×b3e3+a3e3×b1e1+a3e3×b2e2=a1b2e3a1b3e2a2b1e3+a2b3e1+a3b1e2a3b2e1=(a2b3a3b2)e1+(a3b1a1b3)e2+(a1b2a2b1)e3.\begin{aligned} \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} & =\left(a_1 \boldsymbol{e}_1+a_2 \boldsymbol{e}_2+a_3 \boldsymbol{e}_3\right) \times\left(b_1 \boldsymbol{e}_1+b_2 \boldsymbol{e}_2+b_3 \boldsymbol{e}_3\right) \\ & =a_1 \boldsymbol{e}_1 \times\left(b_1 \boldsymbol{e}_1+b_2 \boldsymbol{e}_2+b_3 \boldsymbol{e}_3\right)+a_2 \boldsymbol{e}_2 \times\left(b_1 \boldsymbol{e}_1+b_2 \boldsymbol{e}_2+b_3 \boldsymbol{e}_3\right)+a_3 \boldsymbol{e}_3 \times\left(b_1 \boldsymbol{e}_1+b_2 \boldsymbol{e}_2+b_3 \boldsymbol{e}_3\right) \\ & =a_1 \boldsymbol{e}_1 \times b_2 \boldsymbol{e}_2+a_1 \boldsymbol{e}_1 \times b_3 \boldsymbol{e}_3+a_2 \boldsymbol{e}_2 \times b_1 \boldsymbol{e}_1+a_2 \boldsymbol{e}_2 \times b_3 \boldsymbol{e}_3+a_3 \boldsymbol{e}_3 \times b_1 \boldsymbol{e}_1+a_3 \boldsymbol{e}_3 \times b_2 \boldsymbol{e}_2 \\ & =a_1 b_2 \boldsymbol{e}_3-a_1 b_3 \boldsymbol{e}_2-a_2 b_1 \boldsymbol{e}_3+a_2 b_3 \boldsymbol{e}_1+a_3 b_1 \boldsymbol{e}_2-a_3 b_2 \boldsymbol{e}_1 \\ & =\left(a_2 b_3-a_3 b_2\right) \boldsymbol{e}_1+\left(a_3 b_1-a_1 b_3\right) \boldsymbol{e}_2+\left(a_1 b_2-a_2 b_1\right) \boldsymbol{e}_3 . \end{aligned}

命题 4 设 a,ba, bcc 为空间中的三个向量, 则有

(a×b)×c=(ac)b(bc)a.(a \times b) \times c=(a \cdot c) b-(b \cdot c) a .

证明: 设 e1e_1 为与 cc 方向相同的单位向量, 则存在实数 λ\lambda, 使得 c=λe1c=\lambda e_1. 任取一个与 e1e_1 垂直的单位向量 e2e_2, 并令 e3=e1×e2e_3=e_1 \times e_2, 则 {e1,e2,e3}\overrightarrow{\left\{e_1, e_2, e_3\right\}} 构成空间的一个右手系的单位正交基. 令 a=a1e1+a2e2+a3e3,b=b1e1+b2e2+b3e3\boldsymbol{a}=a_1 \boldsymbol{e}_1+a_2 \boldsymbol{e}_2+a_3 \boldsymbol{e}_3, \boldsymbol{b}=b_1 \boldsymbol{e}_1+b_2 \boldsymbol{e}_2+b_3 \boldsymbol{e}_3. 利用(4)式, 得到

(a×b)×e1=(a1b2a2b1)e2(a3b1a1b3)e3.(\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}) \times \boldsymbol{e}_1=\left(a_1 b_2-a_2 b_1\right) \boldsymbol{e}_2-\left(a_3 b_1-a_1 b_3\right) \boldsymbol{e}_3 .

通过直接计算, 可以得到

(ae1)b(be1)a=(a1b2a2b1)e2(a3b1a1b3)e3.\left(\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{e}_1\right) \boldsymbol{b}-\left(\boldsymbol{b} \cdot \boldsymbol{e}_1\right) \boldsymbol{a}=\left(a_1 b_2-a_2 b_1\right) \boldsymbol{e}_2-\left(a_3 b_1-a_1 b_3\right) \boldsymbol{e}_3 .

所以

(ae1)b(be1)a=(a×b)×e1.\left(a \cdot e_1\right) b-\left(b \cdot e_1\right) a=(a \times b) \times e_1 .

在上式两边乘 λ\lambda, 便完成了命题的证明.

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