外積

外積

外積一般指兩個向量的向量積;或在幾何代數中,指有類似勢的運算如楔積。這些運算的勢是笛卡爾積的勢。這個名字與內積相對,它是有相反次序的積。這裡寫的是外積,但是下面的寫的是矢量積。

描述

定義

把向量外積定義為:

符號表示: a× b

大小:| a|·| b|·sin< a, b>.

方向:右手定則:若坐標系是滿足右手定則的,設 z= x× y,| z|=| x|| y|*sin< x, y>;則 x, y, z構成右手系,伸開右手手掌,四個手指從x軸正方向方向轉到y軸正方面,則大拇指方向即為z正軸方向。

外積的坐標表示:

(x,y,z×(x,y,z)=(yz-yz,zx-zx,xy-xy

分配律

a× ( b+c) = a × b + a × c

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為矢量 a, b, c的混合積,容易證明:

外積 外積

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)。

簡單證明:體積V=底面積S×高h

=| a× b|×| h|

=| a× b|×| c|×( c· h)/(| c|| h|)

=| a× b|×( c· h)/| h|

而| h|=| a× b|

所以 V= c· h=c·( a× b

從而就推出:

ii) ( a× b)· c= a·( b× c)

所以我們可以記 a, b, c的混合積為( a, b, c).

由i)還可以推出:

iii) ( a, b, c) = ( b, c, a) = ( c, a, b)

我們還有下面的一條顯然的結論:

iv) 若一個矢量 a同時垂直於三個不共面矢 a1, a2, a3,則 a必為零矢量。

分配律證明

下面我們就用上面的1)2)3)來證明外積的分配律。

r為空間任意矢量,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

這說明矢量 a×( b+ c) - ( a× b+ a× c)垂直於任意一個矢量。按3)的iv),這個矢量必為零矢量,即

a×( b+ c) - ( a× b+ a× c) = 0

所以有

a×( b+ c) = a× b+ a× c.

證畢。

二重向量外積

向量二重外積公式: a × ( b× c )= b( a · c) − c( a · b)

抽象定義

外積 外積
外積 外積
外積 外積
外積 外積
外積 外積

給定向量和余向量,張量積給出映射,在同構之下。

外積 外積

具體的說,給定,

外積 外積
外積 外積
外積 外積

這裡的是在 w上的求值,它生成一個標量,接著乘 v。

外積 外積
外積 外積

可作為替代,它是與的複合。

外積 外積
外積 外積

如果,則還可以配對,這是內積。

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