向量的叉积...

本文介绍了向量叉积的概念及其在判断点位置、确定两向量相对方向的应用,并探讨了叉积在解决几何问题中的作用。

它可以用来判断点在直线的某侧。进而可以解决点是否在三角形内,两个矩形是否重叠等问题。向量的叉积的模表示这两个向量围成的平行四边形的面积。  
    设矢量P = ( x1, y1 ),Q = ( x2, y2 ),则矢量叉积定义为由(0,0)、p1、p2和p1+p2所组成的平行四边形的带符号的面积,即:P×Q = x1*y2 - x2*y1,其结果是一个伪矢量。   
    显然有性质 P × Q = - ( Q × P ) 和 P × ( - Q ) = - ( P × Q )。   
叉积的一个非常重要性质是可以通过它的符号判断两矢量相互之间的顺逆时针关系:   
若 P × Q > 0 , 则P在Q的顺时针方向。    
若 P × Q < 0 , 则P在Q的逆时针方向。     
若 P × Q = 0 , 则P与Q共线,但可能同向也可能反向。     
叉积的方向与进行叉积的两个向量都垂直,所以叉积向量即为这两个向量构成平面的法向量。   
如果向量叉积为零向量,那么这两个向量是平行关系。    

因为向量叉积是这两个向量平面的法向量,如果两个向量平行无法形成一个平面,其对应也没有平面法向量。所以,两个向量平行时,其向量叉积为零。

### 向量的计算方法 向量(Cross Product)是一种仅在三维空间中定义的向量运算,其结果是一个新的向量,该向量与原始两个向量垂直,并且其方向由**右手法则**决定,大小等于由这两个向量所构成的平行四边形的面。[^1] 设两个三维向量分别为: $$ \vec{a} = \begin{bmatrix} a_x \\ a_y \\ a_z \end{bmatrix}, \quad \vec{b} = \begin{bmatrix} b_x \\ b_y \\ b_z \end{bmatrix} $$ 则它们的 $\vec{c} = \vec{a} \times \vec{b}$ 可以通过以下行列式形式计算: $$ \vec{a} \times \vec{b} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ a_x & a_y & a_z \\ b_x & b_y & b_z \\ \end{vmatrix} = (a_y b_z - a_z b_y)\mathbf{i} - (a_x b_z - a_z b_x)\mathbf{j} + (a_x b_y - a_y b_x)\mathbf{k} $$ 也可以写成向量形式: $$ \vec{a} \times \vec{b} = \begin{bmatrix} a_y b_z - a_z b_y \\ a_z b_x - a_x b_z \\ a_x b_y - a_y b_x \end{bmatrix} $$ 在编程中,例如使用 Python 进行计算,可以使用 NumPy 库的 `cross` 函数: ```python import numpy as np a = np.array([1, 2, 3]) b = np.array([4, 5, 6]) cross_product = np.cross(a, b) print(cross_product) ``` ### 三维向量公式 三维向量的公式可以进一步推广为: $$ \vec{a} \times \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\sin(\theta)\hat{n} $$ 其中: - $|\vec{a}|$ 和 $|\vec{b}|$ 是向量的模; - $\theta$ 是两个向量之间的夹角; - $\hat{n}$ 是垂直于 $\vec{a}$ 和 $\vec{b}$ 的单位向量,方向由右手法则确定。 的方向由右手法则确定,即:将右手食指指向第一个向量方向,中指指向第二个向量方向,拇指所指的方向即为的方向。[^3] ### 向量的应用 向量在多个领域中都有重要应用,主要包括: 1. **计算面与体** - 的大小等于两个向量围成的平行四边形的面。 - 若有三个向量 $\vec{a}, \vec{b}, \vec{c}$,则它们的混合 $\vec{a} \cdot (\vec{b} \times \vec{c})$ 表示由这三个向量围成的平行六面体的体。[^3] 2. **物理中的力矩与角动量** - 力矩 $\vec{\tau} = \vec{r} \times \vec{F}$,其中 $\vec{r}$ 是力臂,$\vec{F}$ 是作用力。 - 角动量 $\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}$,其中 $\vec{p}$ 是动量。 3. **计算机图形学中的法向量计算** - 在 3D 图形中,用于计算多边形的表面法向量,用于光照、阴影等渲染效果。 4. **判断向量的方向关系** - 通过的正负可以判断两个向量的相对方向(顺时针或逆时针),这在计算几何中非常有用。[^2] 5. **机器人学与工程力学** - 在机器人运动学中,用于描述旋转轴和角速度之间的关系。 ---
评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
红包 添加红包
表情包 插入表情
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值