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向量点乘(内积)和叉乘(外积、向量积)概念及几何意义解读

向量点乘

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向量是由n个实数组成的一个n行1列(n*1)或一个1行n列(1*n)的有序数组

向量的点乘,也叫向量的内积、数量积,对两个向量执行点乘运算,就是对这两个向量对应位一一相乘之后求和的操作,点乘的结果是一个标量。

点乘公式

对于向量a和向量b:

a和b的点积公式为:

要求一维向量a和向量b的行列数相同。

点乘几何意义
点乘的几何意义是可以用来表征或计算两个向量之间的夹角,以及在b向量在a向量方向上的投影,有公式:

推导过程如下,首先看一下向量组成:

定义向量:

根据三角形余弦定理有:

根据关系c=a-b(a、b、c均为向量)有:

 向量a,b的长度都是可以计算的已知量,从而有a和b间的夹角θ:

根据这个公式就可以计算向量a和向量b之间的夹角。从而就可以进一步判断这两个向量是否是同一方向,是否正交(也就是垂直)等方向关系,具体对应关系为:


     a·b>0    方向基本相同,夹角在0°到90°之间

     a·b=0    正交,相互垂直  

     a·b<0    方向基本相反,夹角在90°到180°之间 

叉乘公式

两个向量的叉乘,又叫向量积、外积、叉积,叉乘的运算结果是一个向量而不是一个标量。并且两个向量的叉积与这两个向量组成的坐标平面垂直。

对于向量a和向量b:

a和b的叉乘公式为:

其中:

根据i、j、k间关系,有:


叉乘几何意义
在三维几何中,向量a和向量b的叉乘结果是一个向量,更为熟知的叫法是法向量,该向量垂直于a和b向量构成的平面。

在3D图像学中,叉乘的概念非常有用,可以通过两个向量的叉乘,生成第三个垂直于a,b的法向量,从而构建X、Y、Z坐标系。如下图所示: 

 在二维空间中,叉乘还有另外一个几何意义就是:aXb等于由向量a和向量b构成的平行四边形的面积。

方向判定:

  向量c的方向与a,b所在的平面垂直,且方向要用“右手法则”判断。判断方法如下:
 1.右手手掌张开,四指并拢,大拇指垂直于四指指向的方向;
 2.伸出右手,四指弯曲,四指与A旋转到B方向一致,那么大拇指指向为C向量的方向。

总结就是:
假如 向量a 为(x1, y1),向量b为(x2, y2)
  叉积(也叫外积)的模为a x b = x1 * y2 - x2 * y1 = |a||b| sin<a,b>,可以理解为平行四边形的有向面积(三维以上为体积)。外积的方向垂直于这两个方向。

应用:

 

数学意义:

量点乘(又称数量积或内积)和向量叉乘(又称向量积或外积)是向量运算中的两种基本操作。它们在数学、物理和工程等领域有广泛的应用。这两种运算在计算过程和结果上有显著的不同:

向量点乘和向量叉乘的区别如下

  • 点乘结果是一个标量,而叉乘结果是一个向量。

  • 点乘满足交换律,而叉乘满足反交换律。

  • 点乘可用于计算向量之间的夹角、投影和长度;叉乘可用于计算法向量、面积和判断线性方向。

  • 这两种运算在数学、物理、计算机图形学和工程等领域都有广泛的应用,它们在解决实际问题时发挥着重要作用。

向量点乘

向量点乘是两个向量按照对应分量相乘然后求和的运算。设有两个向量A和B,分别为A = (A1, A2, A3) 和 B = (B1, B2, B3),那么它们的点乘结果是一个标量:A · B = A1 * B1 + A2 * B2 + A3 * B3

向量点乘具有以下特点:

  • 结果是一个标量

  • 满足交换律:A · B = B · A

  • 满足分配律:A · (B + C) = A · B + A · C

点乘的应用:

  • 计算向量之间的夹角:若A和B的点乘为0,则它们垂直;若A和B的点乘大于0,则夹角小于90度;若A和B的点乘小于0,则夹角大于90度。

  • 计算向量的长度:一个向量与自身的点乘等于其长度的平方,即‖A‖² = A · A。

  • 计算投影:一个向量在另一个向量上的投影长度可以通过点乘计算。

向量叉乘

向量叉乘是两个向量按照特定规则相乘,其结果是一个新向量。设有两个向量A和B,分别为A = (A1, A2, A3) 和 B = (B1, B2, B3),那么它们的叉乘结果是一个向量:A x B = (A2 * B3 - A3 * B2, A3 * B1 - A1 * B3, A1 * B2 - A2 * B1)

向量叉乘具有以下特点:

  • 结果是一个向量

  • 满足反交换律:A x B = - (B x A)

  • 满足分配律:A x (B + C) = A x B + A x C

  • 不满足结合律:(A x B) x C ≠ A x (B x C)

叉乘的应用:

  • 计算法向量:叉乘的结果向量垂直于原始向量A和B,可用于计算平面或多边形的法向量。

  • 计算面积:两个向量的叉乘长度等于构成平行四边形的两边对应的向量所围成的平面区域的面积。

  • 判断线性方向:叉乘的结果向量可以用来判断两个向量的相对方向。如果A x B的结果向量指向上,则A相对于B是逆时针旋转;如果结果向量指向下,则A相对于B是顺时针旋转。这在计算机图形学和几何计算中非常有用。

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