線性代數4——向量3(叉積)

2021-03-01 我是8位的
什麼是叉積

  向量的叉積也叫外積、向量積、叉乘或矢量積。兩個向量的叉積是這樣表示的:

 

  在二維空間內,向量A = <a1, a2>,B = <b1, b2>

 

  其幾何意義就是以兩個向量為邊的平行四邊形的面積,這在上篇文章中給出了詳細說明。

  此外,叉積也適用於兩個在三維空間內的向量。在三維空間內,向量A = <a1, a2, a3>,B = <b1, b2, b3>,C = <c1, c2, c3>

 

  i, j, k是三個維度中每個維度的單位向量,有點像三階行列式,但並不是常理上的行列式,因為行列式不會出現向量,這裡僅僅是為了便於表達和記憶。

  從上面的描述中可以看出,叉積得到的是一個向量,而不是一個數字,也因此,A×BB×A並不等同,實際上,

叉積的幾何意義

  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:

  兩個相同向量的叉積是0,

 

  如果用幾何意義解釋,二者構成一條線段,線段的面積是0。

  在方向上,叉積垂直於平行四邊形所在的平面:

  由於叉積存在負值,所以垂直的方向可能向上或向下,具體方向根據右手法則判斷。

  右手法則很有意思,首先要保持拇指朝上,然後其他四指指向叉積的第一個向量,向內彎曲四指指向另一個向量。如果兩個向量的方向能符合這個手勢,此時拇指的方向就是叉積的方向;如果必須向外彎曲四指,拇指的反方向是叉積的方向。總之,最終能夠以一個舒服的方向豎起拇指就對了。

叉積的作用計算平行六面體的體積

  所謂平行六面體,就是六面體的每個面都是平行四邊形,如下圖所示:

  向量H是垂直於底面的向量,|H|是六面體的高,可看作向量AH方向上的分量,分量可以用點積表示,這在上一篇中敘述過。如果令uH方向的單位向量:

 

判斷點是否在同一平面

  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?

 

P是否在P1,P2,P3組成的平面內?

  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。

計算法向量

  也可以用另一種方法求解上面的問題,這需要法向量的幫助。一個與平面垂直的向量稱為該平面的法向量,一個平面有無數條法向量,法向量與一個常數的乘積還是法向量。

  N是平面的法向量,如果NP1P,則P在平面內。根據點積的知識,N·P1P = 0,則NP1P。如何計算N呢?實際上,N就是P1P3P1P2的叉積。

  如果P在平面內,則體積 = P1P·(P1P3×P1P2)= 0;由於NP1PN·P1P = 0,結合二者:

P1P·(P1P3×P1P2)= P1P· N = 0

 => N = P1P3×P1P2

示例示例1

  平行六面體是三條邊是三個向量<2, 2, 0>,<1, 0, 1>,<0, 1, 1>,求該六面體的體積。

  很明顯是相交於<0, 0, 0>的三個向量,設三個向量分別是ABC

 

  體積是4

示例2

  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)

  使用叉積很容易計算,需要注意的是,點積和叉乘僅對向量有意義,對點來說則毫無用處,所以首先需要將點轉換為向量。

 

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