多元微积分 · 叉积

叉积

空间中两个向量的叉积a × b是一个同时垂直于两者的向量,长度等于它们张成的平行四边形的面积;它的三个分量是这个平行四边形在三个坐标平面上的影子的有向面积。

叉积与本页画面

空间中两个向量a、b的叉积是一个向量a × b。它的长度等于两者张成的平行四边形的面积,两个向量都不为零时,就是∣a∣ ∣b∣sin⁡θ|a|\,|b|\sin\theta,θ是两者的夹角。这个面积不为0时,a × b同时垂直于a和b,方向按右手定则:右手四指从a弯向b,拇指所指就是a × b的方向。在这一页,你可以在一个房间里转动a和b,看平行四边形投在墙上的影子,这些影子恰好就是a × b的三个分量。

叉积的坐标公式和它的长度
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

把平行四边形竖直投到地面上。它的影子是由(a1,a2)(a_1, a_2)和(b1,b2)(b_1, b_2)张成的平行四边形,带符号的面积是二阶行列式a1b2−a2b1a_1 b_2 - a_2 b_1,也就是第三个分量。从上往下看,a的影子转到b的影子是逆时针时,符号为正。两面墙也一样,各从自己那根轴指向的一侧看:yz墙上的影子给出第一个分量,zx墙上的影子给出第二个分量。面积为负的影子是顺时针转的,页面给它画上斜线。

为什么这些影子合起来,是一个垂直于平行四边形的向量?设平行四边形没有压扁,面积为A,n是垂直于它、在右手定则那一侧的单位向量。从一面单位法向量为m的墙上看,平行四边形只在一个方向上被压扁,压成原来的∣n⋅m∣|n\cdot m|倍,所以它在这面墙上的影子,带符号的面积是A (n⋅m)A\,(n\cdot m)。“一面墙上的影子”按当前的数画出这个视角。三面墙的法向量就是三根坐标轴,所以三个影子合起来是

三个影子带符号的面积,合成一个向量
(A n1,  A n2,  A n3)=A n=a×b(A\,n_1,\; A\,n_2,\; A\,n_3) = A\,n = a \times b

这是一个沿n、长为A的向量。坐标公式和几何描述说的是同一件事。

交换顺序,每个影子都反着转,所以b × a = −(a × b):叉积不满足交换律。a和b平行,或者其中一个是零向量时,平行四边形压成一条线段或一个点,每个影子的面积都是0,a × b = 0。面积不为0时,“正对板”顺着a × b看过去,平行四边形显出真实的形状;“侧看板”顺着平行四边形看过去,它成了一条线,和a × b垂直。

右手是一种约定,和房间里的右手坐标系相配:从+z一侧看,x转到y是逆时针。

值得注意

  • 交换顺序时,平行四边形和它的影子都留在原处,变的只是转向、斜线和箭头。
  • 影子属于墙,不属于相机。从墙的背面看,逆时针的影子在屏幕上像是顺时针的,但它的符号是从那根轴指向的一侧读的。

相关概念