平行六面體的體積(volume of a parallelepiped)
拿一個紙箱往側面一推,讓它的直角傾倒;它就成了一個傾斜的盒,也就是平行六面體,有六個平行四邊形的面。它仍圍住多少空間?令人意外地,傾斜對體積的法則毫無影響,而從一個角冒出的三條稜向量,能藉單一個數字立刻告訴你答案。
設從一個頂點出發的三條稜為向量 u、v、w。體積為 V = |u . (v x w)|,即純量三重積的絕對值。推理很乾淨:v x w 是垂直於底面平行四邊形的向量,其大小 |v x w| 等於該底面的面積。與 u 作內積,挑出 u 垂直於底面的分量——正是高。由於體積 = 底面積乘以高,而內積把高與面積摺在一起,故 |u . (v x w)| 就是體積。絕對值之所以要緊,是因為三重積可能算出負值(左手角),而體積必須非負。等價地,體積是以 u、v、w 的分量為列的 3 乘 3 行列式的絕對值。
這條公式扛起重活:它給出任何平行六面體的體積,而它的六分之一給出以同樣三條稜構成的四面體體積。當三重積為零時,盒是扁的——三條稜共面、不圍任何體積——這同時也是共面判別。關於盒形本身有個微妙處:把它推倒(剪切)會改變形狀與各面面積,卻出乎意料地「不」改變體積,只要底面與高不變。這正是卡瓦列利原理以向量形式現身,也是為何簡單的底乘高法則能在傾斜下倖存。
對稜 u = (2, 0, 0)、v = (0, 3, 0)、w = (1, 1, 4):v x w = (3*4 - 0*1, 0*1 - 0*4, 0*1 - 3*1) = (12, 0, -3),再 u . (v x w) = 2*12 + 0 + 0 = 24,故體積為 |24| = 24。以同樣三條稜構成的四面體體積為 24/6 = 4。
三條稜向量之純量三重積的絕對值。
要取絕對值:三重積可能為負(表示左手角),但體積絕不為負。結果為零代表三條稜共面、「盒」是扁的,根本沒有體積。