向量外積

向量外積

把向量外積定義為: |a ×b| = |a|·|b|·sin. 方向根據右手法則確定,就是手掌立在a、b所在平面的向量a上,掌心由a轉向b的過程中,大拇指的方向就是外積的方向。

基本信息

定義

把向量外積定義為:

|a × b| = | a|·| b|·sin< a, b>.

方向根據右手法則確定,就是手掌立在 ab所在平面的向量 a上,掌心向 b,那么大拇指方向就是垂直於該平面的方向,被規定為外積的方向。

運算

向量外積的代數運算形式為:

| e(i) e(j) e(k)|

a× b=| x(a) y(a) z(a) |

| x(b) y(b) z(b) |

這個行列式,按照第一行展開。 e表示標準單位基。

分配律的幾何證明方法很繁瑣,大意是用作圖的方法驗證。有興趣的話請自己參閱參考文獻中的證明。

下面給出代數方法。我們假定已經知道了:

1)外積的反對稱性:

a× b= - b× a.

這由外積的定義是顯然的。

2)內積(即數積、點積)的分配律:

a·( b+ c)= a· b+ a· c,

a+ b)· c= a· c+ b· c.

這由內積的定義 a· b= | a|·| b|·cos< a, b>;,用投影的方法不難得到證明。

3)混合積的性質:

定義( a× b)· c為向量 a, b, c的混合積,容易證明:

i) ( a× b)· c的絕對值正是以 a, b, c為三條鄰棱的平行六面體的體積,其正負號由 a, b, c的定向決定(右手係為正,左手係為負)。

從而就推出:

ii) b×c=b·c×a=c·a×b

所以我們可以記 a, b, c的混合積為( a, b, c

推理

由i)還可以推出:

iii) ( a, b, c)= ( b, c, a)= ( c, a, b

還有一條結論:

iv) 若一個向量 a同時垂直於三個不共面矢 a1, a2, a3,則a為零向量或高維空間向量。

下面我們就用上面的1)2)3)來證明外積的分配律。

設r為空間任意向量,在 r·[ a×( b + c)]里,交替兩次利用3)的ii)、iii)和數積分配律2),就有

r·[ a×( b+ c)]

= ( r× a)·( b + c

= ( r× a)· b + ( r× a)· c

= r·( a× b)+ r·( a× c

= r·( a× b + a× c

移項,再利用數積分配律,得

r·[ a×( b + c)- ( a× b + a× c)] = 0

這說明向量 a×( b + c)- ( a× b + a× c)垂直於任意一個向量。按3)的iv),這個向量必為零向量,即

a×( b + c)- ( a× b + a× c)= 0

所以有

a×( b + c)= a× b + a× c.

證畢。

三向量的外積

b×c=a·cb-a·bc。

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