【解析几何笔记】10.向量的外积

news2024/9/21 13:51:08

10. 向量的外积

10.1 向量外积的定义

α × β \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta} α×β是一个向量, α × β \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta} α×β垂直于 α \pmb{\alpha} α β \pmb{\beta} β所在的平面,至于朝上还是朝下,取决于 α , β , α × β \pmb{\alpha},\pmb{\beta},\pmb{\alpha}\times\pmb{\beta} α,β,α×β构成右手系。(用右手,四指朝向和 α \pmb{\alpha} α一致,然后朝向 β \pmb{\beta} β四指握紧,如果拇指向上和 β \pmb{\beta} β就是 α × β \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta} α×β朝上,否则 α × β \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta} α×β朝下。)
∣ α × β ∣ = ∣ α ∣ ∣ β ∣ sin ⁡ < α , β > |\pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}|=|\pmb{\alpha}||\pmb{\beta}|\sin<\pmb{\alpha},\pmb{\beta}> α×β=α∣∣βsin<α,β>(恰好是 α \pmb{\alpha} α β \pmb{\beta} β所张成的平行四边形面积)

10.2 向量外积的性质

  • α × β = 0 ⃗ ⇔ α / / β \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}=\vec{0}\Leftrightarrow\pmb{\alpha} // \pmb{\beta} α×β=0 α//β

  • α × β = − β × α \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}=-\pmb{\beta}\times\pmb{\alpha} α×β=β×α(反交换性)

  • 假定 α \pmb{\alpha} α是单位向量, β ⊥ α \pmb{\beta}\bot\pmb{\alpha} βα,此时 ∣ β × α ∣ = ∣ β ∣ |\pmb{\beta}\times\pmb{\alpha}|=|\pmb{\beta}| β×α=β(直角正弦为1)
    β × α \pmb{\beta}\times\pmb{\alpha} β×α可看作 β \pmb{\beta} β α \pmb{\alpha} α旋转 9 0 ∘ 90^{\circ} 90而得
    α \pmb{\alpha} α不是单位向量,此时 ∣ β × α ∣ = ∣ α ∣ ∣ β ∣ |\pmb{\beta}\times\pmb{\alpha}|=|\pmb{\alpha}||\pmb{\beta}| β×α=α∣∣β(直角条件没变,正弦值还是1)
    α 0 = α ∣ α ∣ \pmb{\alpha}_{0}=\frac{\pmb{\alpha}}{|\pmb{\alpha}|} α0=αα
    所以 α × β = ∣ α ∣ α 0 × β \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}=|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times\pmb{\beta} α×β=αα0×β
    β \pmb{\beta} β不与 α \pmb{\alpha} α垂直,此时 α × β \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta} α×β可看作 P ˉ α β \bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\beta} Pˉαβ α \pmb{\alpha} α旋转 9 0 ∘ 90^{\circ} 90再乘上 ∣ α ∣ |\pmb{\alpha}| α

    【定理】如果 α ≠ 0 ⃗ , α × β \pmb{\alpha}\ne\vec{0},\pmb{\alpha}\times\pmb{\beta} α=0 ,α×β可以看成 P ˉ α β \bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\beta} Pˉαβ α \pmb{\alpha} α旋转 9 0 ∘ 90^{\circ} 90再乘上 ∣ α ∣ |\pmb{\alpha}| α

  • (双线性性)
    α × ( λ β ) = λ ( α × β ) \pmb{\alpha}\times(\lambda\pmb{\beta})=\lambda(\pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}) α×(λβ)=λ(α×β)
    α × ( β + γ ) = α × β + α × γ \pmb{\alpha}\times(\pmb{\beta}+\pmb{\gamma})=\pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}+\pmb{\alpha}\times\pmb{\gamma} α×(β+γ)=α×β+α×γ
    【证】(1) α × ( λ β ) = ∣ α ∣ α 0 × ( λ β ) = ∣ α ∣ α 0 × P ˉ α ( λ β ) = ∣ α ∣ α 0 × λ P ˉ α β = λ ∣ α ∣ α 0 × P ˉ α β = λ ( α × β ) \pmb{\alpha}\times(\lambda\pmb{\beta})=|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times(\lambda\pmb{\beta})=|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times\bar{P}_{\pmb{\alpha}}(\lambda\pmb{\beta})=|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times\lambda\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\beta}=\lambda|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\beta}=\lambda(\pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}) α×(λβ)=αα0×(λβ)=αα0×Pˉα(λβ)=αα0×λPˉαβ=λαα0×Pˉαβ=λ(α×β)
    (2) α × ( β + γ ) = ∣ α ∣ α 0 × P ˉ α ( β + γ ) = ∣ α ∣ α 0 × ( P ˉ α β + P ˉ α γ ) = ∣ α ∣ ( α 0 × P ˉ α β + α 0 × P ˉ α γ ) = ∣ α ∣ α 0 × P ˉ α β + ∣ α ∣ α 0 × P ˉ α γ = α × β + α × γ \pmb{\alpha}\times(\pmb{\beta}+\pmb{\gamma})=|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times\bar{P}_{\pmb{\alpha}}(\pmb{\beta}+\pmb{\gamma})=|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times(\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\beta}+\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\gamma})=|\pmb{\alpha}|(\pmb{\alpha}_{0}\times\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\beta}+\pmb{\alpha}_{0}\times\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\gamma})=|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\beta}+|\pmb{\alpha}|\pmb{\alpha}_{0}\times\bar{P}_{\pmb{\alpha}}\pmb{\gamma}=\pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}+\pmb{\alpha}\times\pmb{\gamma} α×(β+γ)=αα0×Pˉα(β+γ)=αα0×(Pˉαβ+Pˉαγ)=α(α0×Pˉαβ+α0×Pˉαγ)=αα0×Pˉαβ+αα0×Pˉαγ=α×β+α×γ

10.3 用坐标计算外积

假设有空间仿射坐标系 [ O : e 1 , e 2 , e 3 ] , α = a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 , β = b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 [O:\pmb{e}_{1},\pmb{e}_{2},\pmb{e}_{3}],\pmb{\alpha}=a_{1}\pmb{e}_{1}+a_{2}\pmb{e}_{2}+a_{3}\pmb{e}_{3},\pmb{\beta}=b_{1}\pmb{e}_{1}+b_{2}\pmb{e}_{2}+b_{3}\pmb{e}_{3} [O:e1,e2,e3],α=a1e1+a2e2+a3e3,β=b1e1+b2e2+b3e3
α × β = ( a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 ) × ( b 1 e 1 + b 2 e 2 + b 3 e 3 ) = a 1 b 1 e 1 × e 1 + a 1 b 2 e 1 × e 2 + a 1 b 3 e 1 × e 3 + a 2 b 1 e 2 × e 1 + a 2 b 2 e 2 × e 2 + a 2 b 3 e 2 × e 3 + a 3 b 1 e 3 × e 1 + a 3 b 2 e 3 × e 2 + a 3 b 3 e 3 × e 3 = a 1 b 2 e 1 × e 2 + a 1 b 3 e 1 × e 3 + a 2 b 1 e 2 × e 1 + a 2 b 3 e 2 × e 3 + a 3 b 1 e 3 × e 1 + a 3 b 2 e 3 × e 2 = a 1 b 2 e 1 × e 2 + a 1 b 3 e 1 × e 3 − a 2 b 1 e 1 × e 2 + a 2 b 3 e 2 × e 3 − a 3 b 1 e 1 × e 3 − a 3 b 2 e 2 × e 3 = ( a 1 b 2 − a 2 b 1 ) e 1 × e 2 + ( a 1 b 3 − a 3 b 1 ) e 1 × e 3 + ( a 2 b 3 − a 3 b 2 ) e 2 × e 3 = ∣ a 1 a 2 b 1 b 2 ∣ e 1 × e 2 + ∣ a 1 a 3 b 1 b 3 ∣ e 1 × e 3 + ∣ a 2 a 3 b 2 b 3 ∣ e 2 × e 3 \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}=(a_{1}\pmb{e}_{1}+a_{2}\pmb{e}_{2}+a_{3}\pmb{e}_{3})\times(b_{1}\pmb{e}_{1}+b_{2}\pmb{e}_{2}+b_{3}\pmb{e}_{3})=a_{1}b_{1}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{1}+a_{1}b_{2}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{2}+a_{1}b_{3}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{3}+a_{2}b_{1}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{1}+a_{2}b_{2}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{2}+a_{2}b_{3}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{3}+a_{3}b_{1}\pmb{e}_{3}\times\pmb{e}_{1}+a_{3}b_{2}\pmb{e}_{3}\times\pmb{e}_{2}+a_{3}b_{3}\pmb{e}_{3}\times\pmb{e}_{3}=a_{1}b_{2}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{2}+a_{1}b_{3}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{3}+a_{2}b_{1}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{1}+a_{2}b_{3}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{3}+a_{3}b_{1}\pmb{e}_{3}\times\pmb{e}_{1}+a_{3}b_{2}\pmb{e}_{3}\times\pmb{e}_{2}=a_{1}b_{2}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{2}+ a_{1}b_{3}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{3}- a_{2}b_{1}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{2}+ a_{2}b_{3}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{3}- a_{3}b_{1}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{3}- a_{3}b_{2}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{3}= (a_{1}b_{2}-a_{2}b_{1})\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{2}+ (a_{1}b_{3}-a_{3}b_{1})\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{3}+ (a_{2}b_{3}-a_{3}b_{2})\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{3}=\begin{vmatrix} a_{1}& a_{2}\\ b_{1}&b_{2} \end{vmatrix}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{2}+\begin{vmatrix} a_{1}& a_{3}\\ b_{1}&b_{3} \end{vmatrix}\pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{3}+\begin{vmatrix} a_{2}& a_{3}\\ b_{2}&b_{3} \end{vmatrix}\pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{3} α×β=(a1e1+a2e2+a3e3)×(b1e1+b2e2+b3e3)=a1b1e1×e1+a1b2e1×e2+a1b3e1×e3+a2b1e2×e1+a2b2e2×e2+a2b3e2×e3+a3b1e3×e1+a3b2e3×e2+a3b3e3×e3=a1b2e1×e2+a1b3e1×e3+a2b1e2×e1+a2b3e2×e3+a3b1e3×e1+a3b2e3×e2=a1b2e1×e2+a1b3e1×e3a2b1e1×e2+a2b3e2×e3a3b1e1×e3a3b2e2×e3=(a1b2a2b1)e1×e2+(a1b3a3b1)e1×e3+(a2b3a3b2)e2×e3= a1b1a2b2 e1×e2+ a1b1a3b3 e1×e3+ a2b2a3b3 e2×e3
[ O : e 1 , e 2 , e 3 ] [O:\pmb{e}_{1},\pmb{e}_{2},\pmb{e}_{3}] [O:e1,e2,e3]是一个右手直角坐标系。

e 1 × e 2 = e 3 \pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{2}=\pmb{e}_{3} e1×e2=e3
e 1 × e 3 = e 2 \pmb{e}_{1}\times\pmb{e}_{3}=\pmb{e}_{2} e1×e3=e2
e 2 × e 3 = e 1 \pmb{e}_{2}\times\pmb{e}_{3}=\pmb{e}_{1} e2×e3=e1
α × β = ∣ a 1 a 2 b 1 b 2 ∣ e 3 + ∣ a 1 a 3 b 1 b 3 ∣ e 2 + ∣ a 2 a 3 b 2 b 3 ∣ e 1 \pmb{\alpha}\times\pmb{\beta}=\begin{vmatrix} a_{1}& a_{2}\\ b_{1}&b_{2} \end{vmatrix}\pmb{e}_{3}+\begin{vmatrix} a_{1}& a_{3}\\ b_{1}&b_{3} \end{vmatrix}\pmb{e}_{2}+\begin{vmatrix} a_{2}& a_{3}\\ b_{2}&b_{3} \end{vmatrix}\pmb{e}_{1} α×β= a1b1a2b2 e3+ a1b1a3b3 e2+ a2b2a3b3 e1

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