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 , b 而 a \boldsymbol{a} a 到 b \boldsymbol{b} b 的逆时针夹角为 θ \theta θ ,则定义外积为
a × b = ∣ a ∣ ∣ b ∣ sin θ . . . (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)}
} a × b = ∣ a ∣∣ b ∣ sin θ ... (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 × b ≠ b × a a \times b \ne b \times a a × b = b × 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 ∣ a ∣ ∣ b ∣ sin θ |a| |b| \sin \theta ∣ a ∣∣ b ∣ sin θ 而 sin θ \sin \theta sin θ 是奇函数,这意味着,从a a a 转到b b b 所形成的又向面积和从b b b 转到a a a 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} a × b = − b × 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 , b a,b a , b 都垂直。
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v v v , 磁场的方向B B B , 最终产生的力f f f ,v , B , f v,B,f v , B , f 都是矢量,其定义就是 f = v t i m e s B f= v times B f = v t im es 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。
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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 z z z 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 z z z 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。
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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 设 { a , b , c } \{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}\} { a , b , c } 是向量空间 V V V 的一个基, 取共同起点 O O O , 作 O A → = a , O B → = b , O C → = \overrightarrow{O A}=\boldsymbol{a}, \overrightarrow{O B}=\boldsymbol{b}, \overrightarrow{O C}= O A = a , OB = b , OC = c \boldsymbol{c} c , 则由基向量 a , b , c \boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c} a , b , 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} a 的方向, 食指指向 b \boldsymbol{b} b 的方向时, 可以自然地将中指指向 c c c 的方向, 因此, 在这样的情形下记 { a , b , c } \{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}\} { a , b , c } 为右手系的基;
(2)如图 1.6-2, 将左手拇指指向 a \boldsymbol{a} a 的方向, 食指指向 b \boldsymbol{b} b 的方向时, 可以自然地将中指指向 c \boldsymbol{c} c 的方向, 因此, 在这样的情形下记 { a , b , c } \{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}\} { a , b , c } 为左手系的基.
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}\} { a , b , c } 是右手系, 则 { b , c , a ⃗ } \{\boldsymbol{b}, \boldsymbol{c}, \vec{a}\} { b , c , a } 和 { c , a → , b ⃗ } \overrightarrow{\{c, a}, \vec{b}\} { c , a , 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}\}} { b , a , c } , { a , c , b } 和 { c → , b , a ⃗ } \overrightarrow{\{c}, \boldsymbol{b}, \vec{a}\} { c , b , a } 是左手系.
定义1 设 a , b \boldsymbol{a}, \boldsymbol{b} a , b 为空间中的两个向量, 如果 a \boldsymbol{a} a 与 b \boldsymbol{b} b 平行, 规定 a × b \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} a × b 为零向量; 如果 a \boldsymbol{a} a 与 b \boldsymbol{b} b 不平行, 定义 a × b \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} a × b 为满足以下条件的向量:
(1) a × b \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} a × b 与 a , b \boldsymbol{a}, \boldsymbol{b} a , b 均垂直;
(2) { a , b , a × b } \{\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}\} { a , b , a × b } 构成右手系的基;
(3) ∣ a × b ∣ = ∣ a ∣ ∣ b ∣ sin ⟨ a , b ⟩ |\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}|=|\boldsymbol{a}||\boldsymbol{b}| \sin \langle\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}\rangle ∣ a × b ∣ = ∣ a ∣∣ b ∣ sin ⟨ a , b ⟩ .
称向量 a × b \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} a × b 为 a \boldsymbol{a} a 和 b \boldsymbol{b} b 的外积(exterior product)或向量积.
定理1 两不共线向量 a \boldsymbol{a} a 与 b \boldsymbol{b} b 的外积的长度 ∣ a × b ∣ |\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}| ∣ a × b ∣ , 等于 a \boldsymbol{a} a 与 b \boldsymbol{b} b 构成的平行四边形的面积.
设 e e e 为单位向量, a a a 为任意一个与 e e e 垂直的向量. 在空间中取定一点 O O O , 则存在唯一一个过点 O O O 并与 e \boldsymbol{e} e 垂直的平面.
如图 1. 6-3, 作 O A → = a , O B → = e \overrightarrow{O A}=\boldsymbol{a}, \overrightarrow{O B}=\boldsymbol{e} O A = a , OB = e , 以点 O O O 为中心, 将向量 O A → \overrightarrow{O A} O A 逆时针旋转 90 ∘ 90^{\circ} 9 0 ∘ , 得到
取无关.
由图 1. 6-4, 对任意两个与 e \boldsymbol{e} e 垂直的向量 a \boldsymbol{a} a 和 b \boldsymbol{b} b , 有
ρ e ( a + b ) = ρ e ( a ) + ρ e ( b ) . \rho_e(\boldsymbol{a}+\boldsymbol{b})=\rho_e(\boldsymbol{a})+\rho_e(\boldsymbol{b}) . ρ e ( a + b ) = ρ e ( a ) + ρ e ( b ) .
命题1 设 e e e 为单位向量, a a a 为任意向量, 则有
e × a = ρ e ( a e ⊥ ) , e \times a=\rho_e\left(a_e^{\perp}\right), e × a = ρ e ( a e ⊥ ) , 其中 a e ⊥ a_e^{\perp} a e ⊥ 是向量 a a a 关于 e e e 的垂直投影.
证明: 如果 a \boldsymbol{a} a 与 e \boldsymbol{e} e 平行, 由定义 1, 得 e × a = 0 = ρ e ( a e ⊥ ) \boldsymbol{e} \times \boldsymbol{a}=\mathbf{0}=\rho_e\left(\boldsymbol{a}_{\boldsymbol{e}}^{\perp}\right) e × a = 0 = ρ e ( a e ⊥ ) , 命题成立; 如果 a \boldsymbol{a} a 与 e \boldsymbol{e} e 不平行, 则 e × a \boldsymbol{e} \times \boldsymbol{a} e × a 和 ρ e ( a e ˙ ) \rho_e(\boldsymbol{a} \dot{e}) ρ e ( a e ˙ ) 均垂直于 e \boldsymbol{e} e 和 a \boldsymbol{a} a . 由于
∣ e × a ∣ = ∣ a ∣ sin ⟨ a , e ⟩ = ∣ a e ⊥ ∣ = ∣ ρ e ( a e ⊥ ) ∣ , |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|, ∣ e × a ∣ = ∣ a ∣ sin ⟨ a , e ⟩ = a e ⊥ = ρ e ( a e ⊥ ) , 并且 { e , a → , e × a } \overrightarrow{\{e, a}, \boldsymbol{e} \times \boldsymbol{a}\} { e , a , e × a } 和 { e , a → , ρ e ( a e ⊥ ) } \left.\overrightarrow{\{e, a}, \rho_e\left(a_e^{\perp}\right)\right\} { e , a , ρ e ( a e ⊥ ) } 都是右手系的基, 即 ρ e ( a e ⊥ ) \rho_e\left(a_e^{\perp}\right) ρ e ( a e ⊥ ) 与 e × a e \times a e × a 有相同的长度和方向, 故 e × a = ρ e ( a e ⊥ ) e \times a=\rho_e\left(a_e^{\perp}\right) e × a = ρ e ( a e ⊥ )
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} a × b = − b × a ;
(2) ( λ a ) × b = λ ( a × b ) (\lambda \boldsymbol{a}) \times \boldsymbol{b}=\lambda(\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}) ( λ a ) × b = λ ( a × 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} ( a + b ) × c = a × c + b × c .
命题 3 设 { e 1 , e 2 , e 3 } → \overrightarrow{\left\{e_1, e_2, \boldsymbol{e}_3\right\}} { e 1 , e 2 , e 3 } 为空间的右手系的单位正交基, 向量 a \boldsymbol{a} a 和 b \boldsymbol{b} b 在这个基下的坐标分别为 ( a 1 , a 2 , a 3 ) \left(a_1, a_2, a_3\right) ( a 1 , a 2 , a 3 ) 和 ( b 1 , b 2 , b 3 ) \left(b_1, b_2, b_3\right) ( b 1 , b 2 , b 3 ) . 则向量 a × b \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b} a × b 在这个基下的坐标为
( a 2 b 3 − a 3 b 2 , a 3 b 1 − a 1 b 3 , a 1 b 2 − a 2 b 1 ) . \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) . ( a 2 b 3 − a 3 b 2 , a 3 b 1 − a 1 b 3 , a 1 b 2 − a 2 b 1 ) . e 1 × e 2 = e 3 , e 2 × e 3 = e 1 , e 3 × e 1 = e 2 . \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 . e 1 × e 2 = e 3 , e 2 × e 3 = e 1 , e 3 × e 1 = e 2 . 依题意, 有
a = a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 , b = b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 , \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, a = a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 , b = b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 , 利用命题 2 , 可以得到
a × b = ( a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 ) × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) = a 1 e 1 × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) + a 2 e 2 × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) + a 3 e 3 × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) = a 1 e 1 × b 2 e 2 + a 1 e 1 × b 3 e 3 + a 2 e 2 × b 1 e 1 + a 2 e 2 × b 3 e 3 + a 3 e 3 × b 1 e 1 + a 3 e 3 × b 2 e 2 = a 1 b 2 e 3 − a 1 b 3 e 2 − a 2 b 1 e 3 + a 2 b 3 e 1 + a 3 b 1 e 2 − a 3 b 2 e 1 = ( a 2 b 3 − a 3 b 2 ) e 1 + ( a 3 b 1 − a 1 b 3 ) e 2 + ( a 1 b 2 − a 2 b 1 ) e 3 . \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} a × b = ( a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 ) × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) = a 1 e 1 × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) + a 2 e 2 × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) + a 3 e 3 × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) = a 1 e 1 × b 2 e 2 + a 1 e 1 × b 3 e 3 + a 2 e 2 × b 1 e 1 + a 2 e 2 × b 3 e 3 + a 3 e 3 × b 1 e 1 + a 3 e 3 × b 2 e 2 = a 1 b 2 e 3 − a 1 b 3 e 2 − a 2 b 1 e 3 + a 2 b 3 e 1 + a 3 b 1 e 2 − a 3 b 2 e 1 = ( a 2 b 3 − a 3 b 2 ) e 1 + ( a 3 b 1 − a 1 b 3 ) e 2 + ( a 1 b 2 − a 2 b 1 ) e 3 . 命题 4 设 a , b a, b a , b 和 c c c 为空间中的三个向量, 则有
( a × b ) × c = ( a ⋅ c ) b − ( b ⋅ c ) a . (a \times b) \times c=(a \cdot c) b-(b \cdot c) a . ( a × b ) × c = ( a ⋅ c ) b − ( b ⋅ c ) a . 证明: 设 e 1 e_1 e 1 为与 c c c 方向相同的单位向量, 则存在实数 λ \lambda λ , 使得 c = λ e 1 c=\lambda e_1 c = λ e 1 . 任取一个与 e 1 e_1 e 1 垂直的单位向量 e 2 e_2 e 2 , 并令 e 3 = e 1 × e 2 e_3=e_1 \times e_2 e 3 = e 1 × e 2 , 则 { e 1 , e 2 , e 3 } → \overrightarrow{\left\{e_1, e_2, e_3\right\}} { e 1 , e 2 , e 3 } 构成空间的一个右手系的单位正交基. 令 a = a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 , b = b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 \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 a = a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 , b = b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 . 利用(4)式, 得到
( a × b ) × e 1 = ( a 1 b 2 − a 2 b 1 ) e 2 − ( a 3 b 1 − a 1 b 3 ) e 3 . (\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 . ( a × b ) × e 1 = ( a 1 b 2 − a 2 b 1 ) e 2 − ( a 3 b 1 − a 1 b 3 ) e 3 . 通过直接计算, 可以得到
( a ⋅ e 1 ) b − ( b ⋅ e 1 ) a = ( a 1 b 2 − a 2 b 1 ) e 2 − ( a 3 b 1 − a 1 b 3 ) e 3 . \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 . ( a ⋅ e 1 ) b − ( b ⋅ e 1 ) a = ( a 1 b 2 − a 2 b 1 ) e 2 − ( a 3 b 1 − a 1 b 3 ) e 3 . 所以
( a ⋅ e 1 ) b − ( b ⋅ e 1 ) a = ( a × b ) × e 1 . \left(a \cdot e_1\right) b-\left(b \cdot e_1\right) a=(a \times b) \times e_1 . ( a ⋅ e 1 ) b − ( b ⋅ e 1 ) a = ( a × b ) × e 1 . 在上式两边乘 λ \lambda λ , 便完成了命题的证明.