概括地說,向量的內積(點乘/點積/數量積)就是對兩個向量執行點乘運算,即對這兩個向量對應位一一相乘之后求和的操作,如下所示,對於向量a和向量b:
a和b的點積公式為:
這里要求一維向量a和向量b的行列數相同。注意:點乘的結果是一個標量(數量而不是向量).
定義:兩個向量a與b的內積為 a·b = |a||b|cos∠(a, b),特別地,0·a =a·0 = 0;若a,b是非零向量,則a與b正交的充要條件是a·b = 0。
- a^2 ≥ 0;當a^2 = 0時,必有a = 0(正定性)
- a·b = b·a (對稱性)
- (λa + μb)·c = λa·c + μb·c,對任意實數λ, μ成立(線性)
- cos∠(a,b) =a·b/(|a||b|)
- |a·b| ≤ |a||b|,等號只在a與b共線時成立
內積(點乘)的幾何意義包括:
- 表征或計算兩個向量之間的夾角
- b向量在a向量方向上的投影
公式推導過程如下,首先看一下向量組成:
根據余弦定理有:
將c=a-b帶入上式中得出:
因此可以得出:
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:
進而可以進一步判斷兩個向量是否同一方向或正交(即垂直)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
概括地說,兩個向量的外積,又叫叉乘、叉積向量積,其運算結果是一個向量而不是一個標量。並且兩個向量的外積與這兩個向量組成的坐標平面垂直。
定義:向量a與b的外積a×b是一個向量,其長度等於|a×b| = |a||b|sin∠(a,b),其方向正交於a與b。並且,(a,b,a×b)構成右手系。 特別地,0×a = a×0 = 0.此外,對任意向量a,a×a=0。
對於向量a和向量b:
a和b的外積公式為:
其中:
根據i、j、k間關系,有:
- a × b = -b × a. (反稱性)
- (λa + μb) × c = λ(a ×c) + μ(b ×c). (線性)
在三維幾何中,向量a和向量b的外積結果稱為法向量,該向量垂直於a和b向量構成的平面。在3D圖像學中,外積的概念非常有用,可以通過兩個向量的外積,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,外積還有另外一個幾何意義:|a×b|在數值上等於由向量a和向量b構成的平行四邊形的面積。