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4 分钟
叉积和混合积性质

一、叉积#

1、定义#

a=(a1,a2,a3)\mathbf{a} = (a_1, a_2, a_3)b=(b1,b2,b3)\mathbf{b} = (b_1, b_2, b_3)是三维空间中的两个向量,则它们的差积(叉积)定义为:

a×b=ijka1a2a3b1b2b3=(a2b3a3b2, a3b1a1b3, a1b2a2b1)\mathbf{a} \times \mathbf{b} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{vmatrix} = \left( a_2b_3 - a_3b_2,\ a_3b_1 - a_1b_3,\ a_1b_2 - a_2b_1 \right)

2、运算法则#

(1)反交换律#

a×b=(b×a)\mathbf{a} \times \mathbf{b} = -(\mathbf{b} \times \mathbf{a})

(2)分配律#

a×(b+c)=a×b+a×c\mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c}) = \mathbf{a} \times \mathbf{b} + \mathbf{a} \times \mathbf{c}

(3)标量乘法结合律#

(ka)×b=k(a×b)=a×(kb)(k\mathbf{a}) \times \mathbf{b} = k(\mathbf{a} \times \mathbf{b}) = \mathbf{a} \times (k\mathbf{b})

(4)与自身叉积为零#

a×a=0\mathbf{a} \times \mathbf{a} = \mathbf{0}

3、算数证明#

(1)反交换律证明#

由定义:

a×b=(a2b3a3b2, a3b1a1b3, a1b2a2b1)\mathbf{a} \times \mathbf{b} = \left( a_2b_3 - a_3b_2,\ a_3b_1 - a_1b_3,\ a_1b_2 - a_2b_1 \right)

b×a=(b2a3b3a2, b3a1b1a3, b1a2b2a1)\mathbf{b} \times \mathbf{a} = \left( b_2a_3 - b_3a_2,\ b_3a_1 - b_1a_3,\ b_1a_2 - b_2a_1 \right)

注意到:

  • b2a3b3a2=(a2b3a3b2)b_2a_3 - b_3a_2 = -(a_2b_3 - a_3b_2)
  • b3a1b1a3=(a3b1a1b3)b_3a_1 - b_1a_3 = -(a_3b_1 - a_1b_3)
  • b1a2b2a1=(a1b2a2b1)b_1a_2 - b_2a_1 = -(a_1b_2 - a_2b_1)

因此

b×a=(a×b)\mathbf{b} \times \mathbf{a} = -(\mathbf{a} \times \mathbf{b})

(2)分配律证明#

a×(b+c)\mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c})展开:

b=(b1,b2,b3)\mathbf{b} = (b_1, b_2, b_3)c=(c1,c2,c3)\mathbf{c} = (c_1, c_2, c_3),则

b+c=(b1+c1,b2+c2,b3+c3)\mathbf{b} + \mathbf{c} = (b_1 + c_1, b_2 + c_2, b_3 + c_3)

a×(b+c)\mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c})的第一个分量:

a2(b3+c3)a3(b2+c2)=a2b3+a2c3a3b2a3c2a_2(b_3 + c_3) - a_3(b_2 + c_2) = a_2b_3 + a_2c_3 - a_3b_2 - a_3c_2

同理,其他分量展开得:

a×(b+c)=(a2b3a3b2, a3b1a1b3, a1b2a2b1)+(a2c3a3c2, a3c1a1c3, a1c2a2c1)\mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c}) = (a_2b_3 - a_3b_2,\ a_3b_1 - a_1b_3,\ a_1b_2 - a_2b_1) + (a_2c_3 - a_3c_2,\ a_3c_1 - a_1c_3,\ a_1c_2 - a_2c_1)

a×(b+c)=a×b+a×c\mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c}) = \mathbf{a} \times \mathbf{b} + \mathbf{a} \times \mathbf{c}

(3)标量乘法结合律证明#

(ka)×b(k\mathbf{a}) \times \mathbf{b}

(ka1,ka2,ka3)×(b1,b2,b3)=(ka2b3ka3b2,ka3b1ka1b3,ka1b2ka2b1)=k(a×b)(k a_1, k a_2, k a_3) \times (b_1, b_2, b_3) = (k a_2 b_3 - k a_3 b_2, k a_3 b_1 - k a_1 b_3, k a_1 b_2 - k a_2 b_1) = k (\mathbf{a} \times \mathbf{b})

同理,

a×(kb)=k(a×b)\mathbf{a} \times (k\mathbf{b}) = k (\mathbf{a} \times \mathbf{b})

(4)与自身叉积为零证明#

a×a\mathbf{a} \times \mathbf{a}

(a2a3a3a2,a3a1a1a3,a1a2a2a1)=(0,0,0)(a_2 a_3 - a_3 a_2, a_3 a_1 - a_1 a_3, a_1 a_2 - a_2 a_1) = (0, 0, 0)

a×a=0\mathbf{a} \times \mathbf{a} = \mathbf{0}

4、几何解释#

  • 差积a×b\mathbf{a} \times \mathbf{b}的模为: a×b=absinθ|\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = |\mathbf{a}|\,|\mathbf{b}|\,\sin\theta 其中θ\thetaa\mathbf{a}b\mathbf{b}的夹角。
  • a×b\mathbf{a} \times \mathbf{b}的方向由右手法则确定,垂直于a\mathbf{a}b\mathbf{b}张成的平面。
  • a×b\mathbf{a} \times \mathbf{b}的模等于以a\mathbf{a}b\mathbf{b}为邻边的平行四边形的面积。

二、混合积(标量三重积)#

1、定义#

a,b,c\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}为三维空间中的三个向量,混合积定义为:

[a,b,c]=(a×b)c[\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}] = (\mathbf{a} \times \mathbf{b}) \cdot \mathbf{c}

或行列式形式:

[a,b,c]=a1a2a3b1b2b3c1c2c3[\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}] = \begin{vmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{vmatrix}

2、运算法则#

(1)反对称性#

混合积对任意两个向量交换均变号:

[a,b,c]=[b,a,c]=[a,c,b][\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}] = -[\mathbf{b},\mathbf{a},\mathbf{c}] = -[\mathbf{a},\mathbf{c},\mathbf{b}]

(2)线性性#

对任一分量线性:

[ka1+a2,b,c]=k[a1,b,c]+[a2,b,c][k\mathbf{a}_1 + \mathbf{a}_2,\mathbf{b},\mathbf{c}] = k[\mathbf{a}_1,\mathbf{b},\mathbf{c}] + [\mathbf{a}_2,\mathbf{b},\mathbf{c}]

b\mathbf{b}c\mathbf{c}同理。

3、算数证明#

(1)反对称性证明#

交换a\mathbf{a}b\mathbf{b}

[a,b,c]=a1a2a3b1b2b3c1c2c3=b1b2b3a1a2a3c1c2c3=[b,a,c][\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}] = \begin{vmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{vmatrix} = -\begin{vmatrix} b_1 & b_2 & b_3 \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{vmatrix} = -[\mathbf{b},\mathbf{a},\mathbf{c}]

同理,交换其他两个分量依然变号。

(2)线性性证明#

a\mathbf{a}分量:

[(ka1+a2),b,c]=((ka1+a2)×b)c=(k(a1×b)+a2×b)c=k(a1×b)c+(a2×b)c=k[a1,b,c]+[a2,b,c][(k\mathbf{a}_1 + \mathbf{a}_2), \mathbf{b}, \mathbf{c}] = ((k\mathbf{a}_1 + \mathbf{a}_2) \times \mathbf{b}) \cdot \mathbf{c} = (k (\mathbf{a}_1 \times \mathbf{b}) + \mathbf{a}_2 \times \mathbf{b}) \cdot \mathbf{c} = k (\mathbf{a}_1 \times \mathbf{b}) \cdot \mathbf{c} + (\mathbf{a}_2 \times \mathbf{b}) \cdot \mathbf{c} = k[\mathbf{a}_1, \mathbf{b}, \mathbf{c}] + [\mathbf{a}_2, \mathbf{b}, \mathbf{c}]

4、几何解释#

  • [a,b,c][\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}]的绝对值等于以a,b,c\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}为邻边的平行六面体的体积。
  • [a,b,c]=0[\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}] = 0,则三向量共面。
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叉积和混合积性质
https://www.laoguantx.cn/posts/propertiesofthecrossproductandscalartripleproduct/
作者
老官童鞋gogo
发布于
2025-06-03
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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