【向量积计算公式】向量积,也称为叉积(Cross Product),是向量运算中一种重要的数学工具,广泛应用于物理、工程和计算机图形学等领域。它用于计算两个三维向量之间的垂直向量,并且其大小与这两个向量所形成的平行四边形的面积有关。
一、向量积的基本概念
设向量 a = (a₁, a₂, a₃) 和向量 b = (b₁, b₂, b₃),则它们的向量积 a × b 是一个向量,其方向垂直于 a 和 b 所在的平面,遵循右手定则。其大小为:
$$
$$
其中 θ 是两向量之间的夹角。
二、向量积的计算公式
向量积 a × b 的计算公式如下:
$$
a \times b =
\begin{vmatrix}
\mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\
a_1 & a_2 & a_3 \\
b_1 & b_2 & b_3 \\
\end{vmatrix}
$$
展开后可得:
$$
a \times b = (a_2b_3 - a_3b_2)\mathbf{i} - (a_1b_3 - a_3b_1)\mathbf{j} + (a_1b_2 - a_2b_1)\mathbf{k}
$$
也可以表示为:
$$
a \times b = (a_2b_3 - a_3b_2,\ a_3b_1 - a_1b_3,\ a_1b_2 - a_2b_1)
$$
三、向量积的性质总结
属性 | 描述 |
结果类型 | 向量 |
方向 | 垂直于两个原始向量所在的平面,遵循右手螺旋法则 |
大小 | 等于两个向量模长乘以夹角的正弦值 |
交换律 | 不满足,即 a × b ≠ b × a,但有 a × b = - (b × a) |
分配律 | 满足,即 a × (b + c) = a × b + a × c |
与零向量关系 | 若其中一个向量为零向量,则结果也为零向量 |
四、示例计算
假设向量 a = (1, 2, 3),b = (4, 5, 6),则:
$$
a \times b =
\begin{vmatrix}
\mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\
1 & 2 & 3 \\
4 & 5 & 6 \\
\end{vmatrix}
= (2 \cdot 6 - 3 \cdot 5)\mathbf{i} - (1 \cdot 6 - 3 \cdot 4)\mathbf{j} + (1 \cdot 5 - 2 \cdot 4)\mathbf{k}
$$
$$
= (12 - 15)\mathbf{i} - (6 - 12)\mathbf{j} + (5 - 8)\mathbf{k}
= (-3)\mathbf{i} + 6\mathbf{j} - 3\mathbf{k}
$$
所以,a × b = (-3, 6, -3)
五、应用场景
- 物理:计算力矩、磁力等;
- 计算机图形学:计算法线向量、判断物体朝向;
- 工程力学:分析旋转运动和力的作用。
通过以上内容可以看出,向量积不仅是数学中的一个重要概念,也是实际应用中不可或缺的工具。掌握其计算方法和性质,有助于更深入地理解三维空间中的几何关系和物理现象。
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