向量點乘與向量叉乘

2021-01-12 時光煮雨SoBiNG

        向量的點積與向量的叉乘應該是高中時解析幾何的知識,很久沒有用,已經回憶不起來了,最近接觸到了,一臉茫然,在此複習下:

1. 向量的點乘

1.1 釋義

      向量的點乘,也叫向量的內積、數量積,對兩個向量執行點乘運算,就是對這兩個向量對應位一一相乘之後求和的操作,點乘的結果是一個標量。

1.2 點乘公式

      對於向量a(a1, a2,…, an)和向量b(b1, b2,…, bn)

                       a·b = a1b1+a2b2+…+anbn

要求一維向量a和向量b的行列數相同.

1.3 幾何意義

     點乘的幾何意義是可以用來表徵或計算兩個向量之間的夾角,以及在b向量在a向量方向上的投影,有公式:

                       a·b = |a||b|cosθ

那麼ab向量的夾角:

                      θ=arccos[(a·b )/(|a||b|) ]

根據這個公式就可以計算向量a和向量b之間的夾角。從而就可以進一步判斷這兩個向量是否是同一方向,是否正交(也就是垂直)等方向關係,具體對應關係為:

     a·b>0 方向基本相同,夾角在0°到90°之間

     a·b=0 正交,相互垂直

     a·b<0 方向基本相反,夾角在90°到180°之間

2.  向量叉乘

2.1 釋義

     兩個向量的叉乘,又叫向量積、外積、叉積,叉乘的運算結果是一個向量而不是一個標量。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。(一個簡單的確定滿足「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。)

它的長度是ab張開的平行四邊形的面積.


2.2 叉乘公式

       對於向量a(x1,y1,z1) 和向量b(x2, y2, z2):

2.3 幾何意義

         向量的兩個要素是模長和方向,讓我們從這兩個角度考慮叉積的幾何意義。 在模長上,叉積的幾何意義是以兩個向量為邊的平行四邊形的面積:

在方向上,叉積垂直於平行四邊形所在的平面:

2.4  運算法則

(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,但滿足雅可比恆等式:a×(b×c)+b×(c×a)+c×(a×b)=0。

(5)兩個非零向量a和b平行,若且唯若a×b=0。


2.5  運用實例

   (1) 計算平行六面體的體積

平行六面體,就是六面體的每個面都是平行四邊形,如下圖所示:

 (2)判斷點是否在同一平面內

       空間內的三點可以確定一個平面,P1,P2,P3是空間中的三個點,另有一點P,如何判斷P是否在平面內?

       可以藉助向量通過上一節中平行六面體體積的知識判斷,如下圖所示


這樣形成了三個向量,|P1P3×P1P2| 是這兩個向量圍成的平行四邊形的面積,P1P·|P1P3×P1P2| 表示平行六面體的體積,如果體積是0,那麼P就在平面內


(3)計算三個點圍成的三角形的面積,P1(-1, 0 , 1),P2(0, 2, 2),P3(0, -1, 2)


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