多變數微積分·外積

外積

空間中兩向量的外積a × b,是同時垂直於兩者的向量,長度等於它們張成的平行四邊形面積;它的三個分量,就是該平行四邊形在三個座標平面上投影的有向面積。

本圖中的外積

空間中兩向量a與b的外積是一個向量a × b。它的長度等於兩者張成的平行四邊形面積;對非零向量而言,此面積為∣a∣ ∣b∣sin⁡θ|a|\,|b|\sin\theta,θ是兩者的夾角。面積不為0時,a × b同時垂直於兩向量,方向則是在右手四指由a彎向b時,拇指所指的方向。這裡可以在房間中轉動a與b,觀察平行四邊形投在牆上的影子,而這些影子的有向面積正是a × b的三個分量。

外積的座標公式與長度
a×b=(a2b3−a3b2,  a3b1−a1b3,  a1b2−a2b1),∣a×b∣=∣a∣ ∣b∣sin⁡θa \times b = (a_2 b_3 - a_3 b_2,\; a_3 b_1 - a_1 b_3,\; a_1 b_2 - a_2 b_1), \qquad |a \times b| = |a|\,|b|\sin\theta

將平行四邊形垂直投影到地板。影子是由(a1,a2)(a_1, a_2)與(b1,b2)(b_1, b_2)張成的平行四邊形,其有向面積為2 × 2行列式a1b2−a2b1a_1 b_2 - a_2 b_1,也就是第三個分量。從上方看,若從a的影子轉向b的影子是逆時針,符號就是+。兩面牆也一樣,分別從其座標軸所指的一側看:yz牆上的影子給出第一個分量,zx牆上的影子給出第二個分量。有向面積為負的影子沿順時針繞行,頁面會以斜線標示。

為什麼這些影子會組成垂直於平行四邊形的向量?取一個面積不為零的平行四邊形,稱其面積為A,令n為垂直於它、指向右手定則所選一側的單位向量。從單位法向量為m的牆面看,平行四邊形只在一個方向上被壓縮,倍率為∣n⋅m∣|n\cdot m|,因此在該牆面上的影子有向面積為A (n⋅m)A\,(n\cdot m)。一面牆上的影子會以目前的數值畫出這個視圖。三面牆的法向量就是三個座標軸方向,因此三個影子合起來是

三個影子的有向面積組成一個向量
(A n1,  A n2,  A n3)=A n=a×b(A\,n_1,\; A\,n_2,\; A\,n_3) = A\,n = a \times b

這是一個沿n方向、長度為A的向量。座標公式與幾何描述說的是同一件事。

交換順序會讓每個影子沿反方向繞行,因此b × a = −(a × b):外積不滿足交換律。a與b平行,或其中之一為零向量時,平行四邊形會退化成線段或一點,每個影子的面積都為0,且a × b = 0。面積不為0時,正對板會沿著a × b觀看,平行四邊形呈現原本的形狀;側看板則沿著平行四邊形所在平面觀看,使它呈現為一條垂直於a × b的線。

右手是與房間的右手座標系相符的約定:從+z方向看,由x轉向y為逆時針。

值得注意

  • 交換順序後,平行四邊形與影子的位置都不變,只有繞行方向、斜線與箭頭改變。
  • 影子屬於牆面,不由鏡頭決定。從牆後方看,逆時針繞行的影子在畫面上會看似順時針,但正負號仍從座標軸所指的一側判讀。

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