定義
把向量外積定義為:
|a × b| = | a|·| b|·sin< a, b>.
方向根據右手法則確定,就是手掌立在 a、 b所在平面的向量 a上,掌心向 b,那么大拇指方向就是垂直於該平面的方向,被規定為外積的方向。
運算
向量外積的代數運算形式為:
| e(i) e(j) e(k)|
a× b=| x(a) y(a) z(a) |
| x(b) y(b) z(b) |
這個行列式,按照第一行展開。 e表示標準單位基。
分配律的幾何證明方法很繁瑣,大意是用作圖的方法驗證。有興趣的話請自己參閱參考文獻中的證明。
下面給出代數方法。我們假定已經知道了:
1)外積的反對稱性:
a× b= - b× a.
這由外積的定義是顯然的。
2)內積(即數積、點積)的分配律:
a·( b+ c)= a· b+ a· c,
( a+ b)· c= a· c+ b· c.
這由內積的定義 a· b= | a|·| b|·cos< a, b>;,用投影的方法不難得到證明。
3)混合積的性質:
定義( a× b)· c為向量 a, b, c的混合積,容易證明:
i) ( a× b)· c的絕對值正是以 a, b, c為三條鄰棱的平行六面體的體積,其正負號由 a, b, c的定向決定(右手係為正,左手係為負)。
從而就推出:
ii) a·( b×c) =b·( c×a) =c·( a×b)
所以我們可以記 a, b, c的混合積為( a, b, c)
推理
由i)還可以推出:
iii) ( a, b, c)= ( b, c, a)= ( c, a, b)
還有一條結論:
iv) 若一個向量 a同時垂直於三個不共面矢 a1, a2, a3,則a為零向量或高維空間向量。
下面我們就用上面的1)2)3)來證明外積的分配律。
設r為空間任意向量,在 r·[ a×( b + c)]里,交替兩次利用3)的ii)、iii)和數積分配律2),就有
r·[ a×( b+ c)]
= ( r× a)·( b + c)
= ( r× a)· b + ( r× a)· c
= r·( a× b)+ r·( a× c)
= r·( a× b + a× c)
移項,再利用數積分配律,得
r·[ a×( b + c)- ( a× b + a× c)] = 0
這說明向量 a×( b + c)- ( a× b + a× c)垂直於任意一個向量。按3)的iv),這個向量必為零向量,即
a×( b + c)- ( a× b + a× c)= 0
所以有
a×( b + c)= a× b + a× c.
證畢。
三向量的外積
a×( b×c) =( a·c) b-( a·b) c。