向量、內積與外積及空間座標幾何

外積(cross product)

內積把兩個向量變成一個數。外積則把空間中的兩個向量變成一個全新的「向量」——一個直直地指出兩向量所在平面之外的向量。它是「同時垂直於兩者」以及量度兩者掃出面積的天然工具。力矩、角動量、平面的法向量都住在這裡。

給定三維中的 u 與 v,它們的外積 u x v 是具有兩個界定性質的向量。第一,它的方向同時垂直於 u 與 v,由右手定則決定哪一側:右手手指沿 u 伸直、再彎向 v,拇指便指向 u x v。第二,它的大小為 |u x v| = |u| |v| sin theta,恰等於 u 與 v 張成的平行四邊形面積。以分量計算有一個整齊的公式:對 u = (u_1, u_2, u_3) 與 v = (v_1, v_2, v_3),u x v = (u_2 v_3 - u_3 v_2, u_3 v_1 - u_1 v_3, u_1 v_2 - u_2 v_1)。大小恰在 sin theta = 0 時為零,也就是 u 與 v 平行(或其一為零)時——平行的箭張不出面積。

因為 u x v 自動垂直於兩個輸入,它是製造過三點的平面之法向量、或求垂直於兩條給定直線之方向的標準辦法。半個大小 (1/2)|u x v| 就是以 u、v 為兩邊的三角形面積。一個尖銳的警告:外積「不」可交換——交換輸入會使結果反向,u x v = -(v x u),因為右手定則翻面。它也不可結合。而且它是三維特有的(七維是個古怪特例);平面中或更高維中沒有一般意義的兩向量外積。對次序與維度要心存敬意。

計算 i x j,其中 i = (1, 0, 0)、j = (0, 1, 0):公式給出 (0*0 - 0*1, 0*0 - 1*0, 1*1 - 0*0) = (0, 0, 1) = k——同時垂直於兩者,並依右手定則指向上方。當作面積:u = (1, 0, 0)、v = (0, 2, 0) 給出 u x v = (0, 0, 2),大小為 2,正是它們張成的 1 乘 2 矩形的面積。

外積同時垂直於兩者;其長度是平行四邊形的面積。

次序要緊:u x v = -(v x u)。外積是向量、內積是數——要把這兩種乘積清楚分開,一個回答垂直與面積的問題,另一個回答角度與重疊的問題。

又稱
vector product叉積向量積