點積

點積

數量積(dot 標量積、 ]的點積定義為:

定義

數學中,數量積(dot product; scalar product,也稱為標量積點積點乘)是接受在實數R上的兩個矢量並返回一個實數值標量二元運算。它是歐幾里得空間的標準內積
兩個矢量a = [a1, a2,…, an]和b = [b1, b2,…, bn]的點積定義為:

這裡的Σ指示總和符號。
使用矩陣乘法並把(縱列)矢量當作n×1 矩陣,點積還可以寫為:
a·b=a^t*b,這裡的a指示矩陣a轉置

簡介

點積的值由以下三個值確定:
u的大小、v的大小、u,v夾角的餘弦。在u,v非零的前提下,點積如果為負,則u,v形成的角大於90度;如果為零,那么u,v垂直;如果為正,那么u,v形成的角為銳角。
點積得到兩個向量的夾角的cos值,通過它可以知道兩個向量的相似性,利用點積可判斷一個多邊形是否面向攝像機還是背向攝像機
向量的點積與它們夾角的餘弦成正比,因此在聚光燈的效果計算中,可以根據點積來得到光照效果,如果點積越大,說明夾角越小,則物理離光照的軸線越近,光照越強。

運算律

1.交換律:α·β=β·α 2.分配律:(α+β)·γ=α·γ+β·γ 3.若λ為數:(λα)·β=λ(α·β)=α·(λβ) 若λ、μ為數::(λα)·(μβ)=λμ(α·β) 4.α·α=|α|^2 ,此外:α·α=0〈=〉α=0。 向量的數量積不滿足消去律,即一般情況下:α·β=α·γ,α≠0 ≠〉β=γ。 向量的數量積不滿足結合律,即一般(α·β)·γ ≠〉α·(β·γ) 相互垂直的兩向量數量積為0

坐標表示

已知兩個非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),則有a·b=x1x2+y1y2,即兩個向量的數量積等於它們對應坐標的乘積的和。

套用

平面向量的數量積a·b是一個非常重要的概念,利用它可以很容易地證明平面幾何的許多命題,例如勾股定理、菱形的對角線相互垂直、矩形的對角線相等等 如證明勾股定理: Rt△ABC中,∠C=90°,則
|CA|+|CB|=|AB|: 因AB = CB-CA
所以AB·AB =(CB-CA)·(CB-CA)= CB·CB-2CA·CB+CA·CA; 由∠C=90°,有CA⊥BD,於是CA·CB=0 所以|CA|+|CB|=|AB| 菱形對角線相互垂直: 菱形ABCD中,點O為對角線AC、BD的交點,求證AC⊥BD 設|AB|=|BC|=|CD|=|DA|=a 因AC=AB+BC;BD=BC+CD
所以AC·BD=(AB+BC)(BC+CD)=a^2(2cosα+2cosπ-α ) 又因為cosα=-cosπ-α
所以AC·BD=(AB+BC)(BC+CD)=a^2(2cosα+2cosπ-α )=0 AC⊥BD
在生產生活中,點積同樣套用廣泛。利用點積可判斷一個多邊形是否面向攝像機還是背向攝像機。向量的點積與它們夾角的餘弦成正比,因此在聚光燈的效果計算中,可以根據點積來得到光照效果,如果點積越大,說明夾角越小,則物理離光照的軸線越近,光照越強。物理中,點積可以用來計算合力和功。若b為單位矢量,則點積即為a在方向b的投影,即給出了力在這個方向上的分解。功即是力和位移的點積。計算機圖形學常用來進行方向性判斷,如兩矢量點積大於0,則它們的方向朝向相近;如果小於0,則方向相反。矢量內積是人工智慧領域中的神經網路技術的數學基礎之一,此方法還被用於動畫渲染(Animation-Rendering)。

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