叉积

(重定向自叉乘

数学向量代数领域,外積(英語:Cross product)又称向量积(英語:Vector product),是对三维空间中的两个向量二元运算,使用符号 。与点积不同,它的运算结果是向量。对于线性无关的两个向量 ,它们的外积写作 ,是 所在平面的法线向量,与 垂直。外积被广泛运用于数学、物理工程学计算机科学领域。

线性代数

向量 · 向量空间  · 行列式  · 矩阵

如果两个向量方向相同或相反(即它们没有线性无关的分量),亦或任意一个的长度为零,那么它们的外积为零。推广开来,外积的模长和以这两个向量为边的平行四边形的面积相等;如果两个向量成直角,它们外积的模长即为两者长度的乘积。

外积和点积一样依赖于欧几里德空间度量,但与点积之不同的是,外积还依赖于定向右手定則

在右手坐标系中的向量积

定义编辑

 
使用右手定則确定外积的方向

两个向量    的外积仅在三维空间中有定义,写作  。在物理学中,外积有时也被写成 ,但在数学中  外代数中的外积。

外积   是与    都垂直的向量  。其方向由右手定則决定,模长等于以两个向量为边的平行四边形的面积。

外积可以定义为:

 

其中   表示    在它们所定义的平面上的夹角 )。   是向量   模长,而   则是一个与    所构成的平面垂直单位向量,方向由右手定則决定。根据上述公式,当    平行(即   为 0° 或 180°)时,它们的外积为零向量  

 
外积a × b(垂直方向、紫色)随着向量 a(蓝色)和 b(红色)的夹角变化。 外积垂直于两个向量,模长在两者平行时为零、在两者垂直时达到最大值‖a‖‖b‖。

按照惯例,向量   的方向由右手定則决定:将右手食指指向   的方向、中指指向   的方向,则此时拇指的方向即为   的方向。使用这一定则意味着外积满足反交换律 :将右手食指指向  、中指指向  ,那么拇指就必定指向相反方向,即翻转了外积的符号。

由此可以看出,使用外积需要考虑坐标系的利手性(英語:Handedness),如果使用的是左手坐标系,向量   的方向需要使用左手定则决定,与右手坐标系中的方向相反。

这样就会带来一个问题:参照系的变换不应该影响   的方向(例如从右手坐标系到左手坐标系的镜像变换)。因此,两个向量的外积并不是(真)向量,而是伪向量

计算编辑

坐标表示编辑

 
基向量ijk,也记作 e1e2e3)和向量 a 的分解(axayaz,也记作 a1a2a3)

右手坐标系中,基向量     满足以下等式:

 

根据反交换律可以得出:

 

根据外积的定义可以得出:

 零向量)。

根据以上等式,结合外积的分配律线性关系,就可以确定任意向量的外积。

向量    可以定义为平行于基向量的三个正交元素之和:

 

两者的外积   可以根据分配律展开:

 

即把   分解为九个仅涉及     的简单外积之和。九个外积各自所涉及的向量,要么相互平行、要么相互正交。将最前面所述的几个等式带入其中,然后合并同类项,可以得到:

 

即结果向量   的三个标量元素为:

 

也可以记作列向量的形式:

 

矩阵表示编辑

 
根据萨吕法则确定 uv 的外积

外积可以表达为这样的行列式

 

这个行列式可以使用萨吕法则拉普拉斯展开计算。使用萨吕法则可以展开为:

 

使用拉普拉斯展开可以沿第一行展开为:[1]

 

都可以直接得到结果向量。

性质编辑

代数性质编辑

對於任意三個向量    

  •  
  •  
  •  反交换律
  •  (加法的左分配律
  •  (加法的右分配律
  •  
  •  
  •  
  •  拉格朗日恆等式

一般來說,向量外積不遵守約簡律,即   不表示  。此外,  不表示   

但對於两个非零向量   

  •   當且僅當   平行於  

几何意义编辑

 
图1:平行四边形面积即外积的模长
 
图2:三个向量定义平行六面体

如果以向量    为边构成一个平行四边形,那么这两个向量外积的模长与这个平行四边形的正面积相等(如图1):

 

同时,如果以向量     为棱构成一个平行六面体,那么这个平行六面体的体积   也可以通过外积和点积的组合得到,这种积称作标量三重积(如图2):

 

因为标量三重积可能为负,平行六面体的体积需要取其绝对值:

 

因为外积的模长与其参数夹角的正弦有关,可以认为外积是「垂直度」的度量,正如点积是「平行度」的度量一样。对于任意两个单位向量,外积为1意味着它们互相垂直,外积为0意味着它们互相平行。点积则相反:点积为0意味着它们互相垂直。

单位向量还能带来两个特性:两个单位向量的点积是它们夹角的余弦(可正可负);它们外积的模长则为夹角的正弦(始终为正)。

向量微分编辑

對於實數   和兩個向量值函數   乘積法則成立:

  •  

三維坐標编辑

给定直角坐标系的单位向量   满足下列等式:

   

通过这些规则,两个向量的外积的坐标可以方便地计算出来,不需要考虑任何角度:设

 
 

 

外积也可以用四元数来表示。注意到上述     之间的外积满足四元数的乘法。一般而言,若将向量[a1, a2, a3]表示成四元数a1i + a2j + a3k,两个向量的外积可以这样计算: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请参见四元数与空间旋转

高维情形编辑

七维向量的外积可以通过八元数得到,与上述的四元数方法相同。

七维外积具有与三维外积相似的性质:

 
 
 
  •   同时与    垂直:
 
 
 

应用编辑

另外,在物理学力学电磁学光学计算机图形学等理工学科中,外积应用十分广泛。例如力矩角动量洛伦兹力等矢量都可以由向量的外积求解。在进行这些物理量的计算时,往往可以借助右手定则辅助判断方向。

历史编辑

在1773年,约瑟夫·拉格朗日介绍了点积和叉积的概念来学习三维空间中的四面体。在1843年,威廉·哈密顿介绍了四元数乘积,并使用了术语“向量”和“标量”。给定两个四元数[0,u]和[0,v],其中u和v是 空间中的向量,它们四元数乘积可以被总结为 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦使用了威廉·哈密顿的四元数工具发展了著名的麦克斯韦方程组,因为各种原因,四元数在很长的一段时间内是物理教育中一个必要的部分。
在1878年威廉·金顿·克利福德发表了他的《Elements of Dynamic》,这在当时是很先进的文本。他定义了两个向量的叉积在大小上等于以这两个向量为边的平行四边形的面积,方向上垂直于它们的平面。
奥利弗·亥维赛乔赛亚·威拉德·吉布斯都觉得四元数方法太麻烦,通常需要提取结果中的标量和矢量部分。因此在四元数乘积被引入的四十年后,点积和叉积也同样被引入-以激烈反对。(最终)接受的关键是新方法的效率,使得亥维赛可以将麦克斯韦方程组由最初的20个减为今天常见的4个。
在很大程度上独立于这种发展,而且当时基本上不受欢迎,赫尔曼·格拉斯曼发明了一种几何代数,与二维和三维空间无关,在其中外积起着中心作用。在1853年,奥古斯丁·路易·柯西,与Grassmann同时代的人,在algebraic keys上发表了一篇文章,用于求解方程,并且和叉积有着相同的乘法特性。Clifford将Hamilton和Grassmann的代数结合起来创建了克利福德代数,在三维矢量的情况下,由两个矢量产生的双向量二重化为一个矢量,从而产生叉积。
交叉符号和“叉积”这个名字是从Gibbs开始的,它们最初出现在1881年给他的学生的私人出版笔记中,叫做《向量分析的元素》。Aleksandr Kotelnikov指出了它在力学中的实用性。Gibbs的符号和“叉乘”这个名字后来通过他以前的学生Edwin Bidwell Wilson编写的一本《向量分析》(Vector Analysis)教科书获得了广泛的读者。Wilson从Gibbs的课件中重新组织了材料,以及Heaviside,Föpps和Hamilton出版的材料。他把向量分析分为下列三个部分:

第一,关于向量的加法和标量与向量的乘积。第二,关于微分和积分与标量函数和向量函数的关系。第三,包含了线性向量函数的理论。

定义了两个主要的向量乘法,称为:

  • 两个向量的直接乘标量乘或者点乘
  • 两个向量的斜乘向量乘叉乘

还研究了几种三重积和三重以上向量的乘积。还包括上述的三重积扩展。

参见编辑

  1. ^ Dennis G. Zill; Michael R. Cullen. Equation 7: a × b as sum of determinants. cited work. Jones & Bartlett Learning. 2006: 321. ISBN 0-7637-4591-X.