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向量外积及其解释

Moon_cjf 2024-02-19 原文

1.向量的外积定义

向量的外积也叫叉积。

外积的定义也有两个,如下:

假设在三维空间中(向量的叉积只能定义在三维空间中,如二维、三维),两个向量,,则

1),其中是垂直与所组成平面的单位法向量

2)=

与向量的内积一样,为啥会有两种定义?如何验证这两种定义所给定的不同计算方式最终结果是一致的?

下面我们从几何和物理的角度分别求证一下。

2.向量外积的几何解释

我们先从二维平面开始。

 上图中向量构成的三角形,其面积等于图示平行四边形面积的一半。

接下来我们将向量进行平移,如下图所示:

 通过图中的移动方式,我们将三角形的面积转换为四边形的面积

 其中,原本的,B=,我们将初始条件带入面积公式中,可以求得

即可得

而通常求取平行四边形面积的时候,如下图:

平行四边形的面积等于:

所以平行四边形面积

 接着,我们扩展到三维空间中。

 在向量叉乘的定义公式中=,所得结果在z轴上的分量是,表明外积z轴方向上的分量是由向量a和b在xoy平面上的分量计算出来的。那这个分量怎么计算?

观察上图,三维空间中向量在xoy平面的分量是,依据上一步二维空间向量外积的计算公式,就等于。也就是说,三维空间向量在z轴上的值就是向量a和b在xoy平面上二维投影分量的外积值。

 相同的,x轴对应着向量a和b在zoy平面上的分量,y轴对应着向量a和b在xoz平面上的分量。

那么在三维空间中,

我们如何证明的值等于向量)的值? 

简单地讲,与上一篇博客证明向量的内积的方法一样,将向量的相交组成的平面作为x0y所在的平面并其中任意的一个向量作为x轴,我们以以向量作为x轴这样我们就降维,又重新回到了前面证明的二维平面上了。

从几何角度上验证了向量外积两种定义的一致性。

3.向量外积的物理解释

 力矩等于力臂和力的乘积,其中有效部分力臂与力的方向要垂直。

上图中力矩

注意:是向上的,是向下的。

力矩M的值等于

 

我们把xoy坐标系逆时针旋转一定角度,将x轴与向量重合,如上图。我们重新把力沿着新的x'轴进行力的分解,因为沿着力臂方向的分力不产生力矩,所以此时力矩

 

其中,

力矩M的值等于

同一个力矩使用两种角度分析,因此=

由此,我们从物理角度上验证了向量外积两种定义的一致性。 

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