1.3 向量的外积

解析几何



周维祺

引入:R3\mathbb R^3上的外积

描述性定义

  • a×ba,b\vec a\times\vec b\perp\vec a, \vec b

  • a,b,a×b\vec a, \vec b, \vec a\times \vec b呈逆时针序

  • a×b=absinθ\|\vec a\times\vec b\|=\|\vec a\|\|\vec b\|\sin\theta (θ\thetaa,b\vec a,\vec b的夹角)

代数性质

  • 反对称性: a×b=b×a\vec a\times \vec b=-\vec b\times \vec a

  • 从而a×a=0\vec a\times \vec a=0 (思考:为什么)

  • (首位)线性性:
    (a+c)×b=a×b+c×b(\vec a+\vec c)\times \vec b=\vec a\times \vec b+\vec c\times \vec b
    (ka)×b=ka×b(k\vec a)\times \vec b=k\vec a\times \vec b

另一种视角

  • a=a1ex+a2ey\vec a=a_1\vec e_x+a_2\vec e_y, b=b1ex+b2ey\vec b=b_1\vec e_x+b_2\vec e_y, exey\vec e_x\perp\vec e_y

  • a×b=(a1ex+a2ey)×(b1ex+b2ey)\vec a\times \vec b=(a_1\vec e_x+a_2\vec e_y)\times(b_1\vec e_x+b_2\vec e_y)

  • 展开:
    =a1b1ex×ex=0+a1b2ex×ey+a2b1ey×ex=ex×ey+a2b2ey×ey=0=a_1b_1\underbrace{\vec e_x\times\vec e_x}_{=0}+a_1b_2\vec e_x\times\vec e_y+a_2b_1\underbrace{\vec e_y\times\vec e_x}_{=-\vec e_x\times\vec e_y}+a_2b_2\underbrace{\vec e_y\times\vec e_y}_{=0}

另一种视角

  • a×b=(a1b2a2b1)x×y\vec a\times\vec b=(a_1b_2-a_2b_1)\vec x\times\vec y

  • a1b2a2b1=det(a1b1a2b2)a_1b_2-a_2b_1=\det\begin{pmatrix}a_1 & b_1 \\ a_2 & b_2\end{pmatrix}

  • a,b\vec a,\vec b所围成的平行四边形的面积,亦即absinθ\|\vec a\|\|\vec b\|\sin\theta

外积完全可以由其代数性质所刻画

R3\mathbb R^3上外积的计算

  • x=(1,0,0)\vec x=(1,0,0), y=(0,1,0)\vec y=(0,1,0), z=(0,0,1)\vec z=(0,0,1)

  • 练习: x×y=?\vec x\times\vec y=?, y×z=?\vec y\times\vec z=? ,z×x=?\vec z\times\vec x=?

  • x×y=z\vec x\times\vec y=\vec z, y×z=x\vec y\times\vec z=\vec x ,z×x=y\vec z\times\vec x=\vec y

R3\mathbb R^3上外积的计算

  • a=a1x+a2y+a3z\vec a=a_1\vec x+a_2\vec y+a_3\vec z

  • b=b1x+b2y+b3z\vec b=b_1\vec x+b_2\vec y+b_3\vec z

  • a×b=det(xyza1a2a3b1b2b3)\vec a\times\vec b=\det\begin{pmatrix} \vec x & \vec y & \vec z \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{pmatrix}

练习



  • 计算 (a1x+a2y+a3z)×(b1x+b2y+b3z)(a_1\vec x+a_2\vec y+a_3\vec z)\times(b_1\vec x+b_2\vec y+b_3\vec z)

  • a=(3,6,2)\vec a=(3,-6,2), b=(2,3,6)\vec b=(2,3,6), 求a×b\vec a\times\vec b

小结

  • 外积的描述性定义

  • 外积的代数性质

  • 外积的计算