點積與叉乘的運算與物理意義


原文:http://blog.csdn.net/jacke121/article/details/55804353

向量是由n個實數組成的一個n行1列(n*1)或一個1行n列(1*n)的有序數組;

 

向量的點乘,也叫向量的內積、數量積,對兩個向量執行點乘運算,就是對這兩個向量對應位一一相乘之后求和的操作,點乘的結果是一個標量。

 

點乘公式

 

對於向量a和向量b:

 

                                                           

 

a和b的點積公式為:

 

 

 

要求一維向量a和向量b的行列數相同。

 

點乘幾何意義

 

點乘的幾何意義是可以用來表征或計算兩個向量之間的夾角,以及在b向量在a向量方向上的投影,有公式:

 

 

推導過程如下,首先看一下向量組成:

 

 

 

定義向量:

 

 

根據三角形余弦定理有:

 

 

根據關系c=a-b(a、b、c均為向量)有:

 

 

即:

 

向量a,b的長度都是可以計算的已知量,從而有a和b間的夾角θ:

 

 

根據這個公式就可以計算向量a和向量b之間的夾角。從而就可以進一步判斷這兩個向量是否是同一方向,是否正交(也就是垂直)等方向關系,具體對應關系為:


     a·b>0    方向基本相同,夾角在0°到90°之間

     a·b=0    正交,相互垂直  

     a·b<0    方向基本相反,夾角在90°到180°之間 

 

叉乘公式

 

兩個向量的叉乘,又叫向量積、外積、叉積,叉乘的運算結果是一個向量而不是一個標量。並且兩個向量的叉積與這兩個向量組成的坐標平面垂直。

 

對於向量a和向量b:

 

 

a和b的叉乘公式為:

 

 

其中:

 

 

根據i、j、k間關系,有:

 

 

 
 

叉乘幾何意義

 

 

在三維幾何中,向量a和向量b的叉乘結果是一個向量,更為熟知的叫法是法向量,該向量垂直於a和b向量構成的平面。

 

在3D圖像學中,叉乘的概念非常有用,可以通過兩個向量的叉乘,生成第三個垂直於a,b的法向量,從而構建X、Y、Z坐標系。如下圖所示: 

 

 

在二維空間中,叉乘還有另外一個幾何意義就是:aXb等於由向量a和向量b構成的平行四邊形的面積。

向量:u=(u1,u2,u3) v=(v1,v2,v3)
叉積公式:u x v = { u2v3-v2u3 ,u3v1-v3u1 ,u1v2-u2v1 }
點積公式:u * v = u1v1+u2v2+u3v33=lul*lvl*COS(U,V)
對於向量的運算,還有兩個“乘法”,那就是點乘和叉乘了.點乘的結果就是兩個向量的模相乘,然后再與這兩個向量的夾角的余弦值相乘.或者說是兩個向量的各個分量分別相乘的結果的和.很明顯,點乘的結果就是一個數,這個數對我們分析這兩個向量的特點很有幫助.如果點乘的結果為0,那么這兩個向量互相垂直;如果結果大於0,那么這兩個向量的夾角小於90度;如果結果小於0,那么這兩個向量的夾角大於90度.對於叉乘,它的運算公式令人頭暈,我就不說了,大家看下面的公式自己領悟吧……
向量c的方向與a,b所在的平面垂直,且方向要用“右手法則”判斷(用右手的四指先表示向量a的方向,然后手指朝着手心的方向擺動到向量b的方向,大拇指所指的方向就是向量c的方向).
若向量a=(a1,b1,c1),向量b=(a2,b2,c2),
則 
向量a·向量b=a1a2+b1b2+c1c2 
向量a×向量b= 
| i j k| 
|a1 b1 c1| 
|a2 b2 c2|
=(b1c2-b2c1,c1a2-a1c2,a1b2-a2b1) 
(i、j、k分別為空間中相互垂直的三條坐標軸的單位向量).
叉乘的意義就是通過兩個向量來確定一個新的向量,該向量與前兩個向量都垂直


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