向量的叉乘,也称为向量的外积或向量积,是一种在向量空间中定义的二元运算。对于两个三维向量 \(\mathbf{a} = (a_x, a_y, a_z)\) 和 \(\mathbf{b} = (b_x, b_y, b_z)\),它们的叉乘 \(\mathbf{c} = \mathbf{a} \times \mathbf{b}\) 是一个新的向量,其分量由以下公式给出:
\[
\mathbf{c} = (c_x, c_y, c_z) = (a_y b_z - a_z b_y, a_z b_x - a_x b_z, a_x b_y - a_y b_x)
\]
叉乘的性质
反交换律 :\(\mathbf{a} \times \mathbf{b} = -\mathbf{b} \times \mathbf{a}\),即交换两个向量的顺序,结果向量的方向会相反。分配律
\(\mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c}) = \mathbf{a} \times \mathbf{b} + \mathbf{a} \times \mathbf{c}\)
\((\mathbf{a} + \mathbf{b}) \times \mathbf{c} = \mathbf{a} \times \mathbf{c} + \mathbf{b} \times \mathbf{c}\)
与零向量的叉乘:
\(\mathbf{a} \times \mathbf{0} = \mathbf{0}\),任何向量与零向量的叉乘结果都是零向量。
模的性质
\(|\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = |\mathbf{a}| \cdot |\mathbf{b}| \cdot \sin \theta\),其中 \(\theta\) 是向量 \(\mathbf{a}\) 和 \(\mathbf{b}\) 之间的夹角。
方向的性质:
叉乘的结果向量的方向由右手定则确定。具体地,将右手的四指从第一个向量 \(\mathbf{a}\) 指向第二个向量 \(\mathbf{b}\),则大拇指的方向就是叉乘结果向量 \(\mathbf{a} \times \mathbf{b}\) 的方向。
叉乘的应用
计算面积:
叉乘结果向量 \(\mathbf{c}\) 的模长表示原始两个向量所围成的平行四边形的面积。
确定方向:
叉乘结果向量的方向垂直于原始两个向量所围成的平面,可以用右手定则来确定其正方向。
物理应用:
在物理学中,叉乘常用于计算力矩、电磁场等。
计算机图形学:
在计算机图形学中,叉乘用于计算旋转矩阵和光照效果等。
示例
假设有两个向量 \(\mathbf{a} = (1, 2, 3)\) 和 \(\mathbf{b} = (4, 5, 6)\),则它们的叉乘为:
\[
\mathbf{c} = \mathbf{a} \times \mathbf{b} = \left( 2 \cdot 6 - 3 \cdot 5, 3 \cdot 4 - 1 \cdot 6, 1 \cdot 5 - 2 \cdot 4 \right) = (-3, 6, -3)
\]
因此,向量 \(\mathbf{a}\) 和 \(\mathbf{b}\) 的叉乘结果是 \((-3, 6, -3)\)。