向量积(叉积)

1 向量积(叉积)

对于空间中更一般的平行四边形,其朝向有非常多的可能性,如下图所示。

空间中更一般的平行四边形,其朝向有非常多的可能性

为表示这些更一般的平行四边形,数学家定义了一种特殊的运算:

已知,定义运算如下:

因为该运算的结果为,故称为 向量积 ,也称为 叉积 (Vector product)。

1.1 向量积(叉积)的几何意义

下面是上述定义的解释,首先解释下叉积的几何意义。设某平行四边形由围成,叉积是一个,其满足如下性质(此处不做证明):

  • 方向:从握拳,右手大拇指的朝向为其方向;或说其垂直于该平行四边形,是该平行四边形的法向量
  • 模长:该平行四边形的面积

所以叉积的几何意义就是表示了空间中由围成的平行四边形,如下图所示(为了展示方便,这里缩短了的长度)。

,其方向为该平行四边形的方向,长度为该平行四边形的面积

1.2 向量积(叉积)的计算方法

再来看看上述定义中给出的叉积的计算方法。如下图所示,上述平行四边形在面、面、面都有投影。

所围平行四边形在面、面上的投影

将三个面上的投影加起来就得到了叉积,即:

为什么这三个面的投影的表达式是上面这样的呢?让我们继续来解释。

1.3 面和面上的投影

先来看看上述平行四边形在面上的投影,该投影由面的投影围成,如下图所示。

面上的投影由围成

因为在面上坐标都为,可认为没有坐标,所以该投影可看作是由围成的。根据上一节的分析,因此该投影可以表示为

同样的道理,上述平行四边形在面上的投影可以表示为,请同学们自行推导。

1.4 面上的投影

上述平行四边形在面上的投影有点不一样,该投影由面的投影围成,如下图所示。这里需要注意的是,因为这是在面上,所以投影的坐标是先

面上的投影由围成

结合上,所以上述平行四边形在面上的投影可以表示为:

1.5 向量积与拉普拉斯展开

综上,所以有:

其中并非真的是,写成这样的形式只是借助来帮助记忆向量积。

顺便再说一句,在有的教科书中也将向量积定义如下,本质上和本节的定义是一样的:

2 平行的充要条件

时,即共线时,自然无法围成平行四边形,或者说围成的平行四边形的面积为,如下图所示。

平行(共线)时,无法围成平行四边形

所以有如下判断的充要条件:

对于维向量,有
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