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叉乘

两个向量ab, 则向量c=a×b 记为 ab 的叉乘

\begin{aligned} & \vec{a} = \\ & \left[ \\ & \begin{array}{c} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \end{array} \\ & \right] \\ & \vec{b} = \\ & \left[ \\ & \begin{array}{c} b_1 \\ b_2 \\ b_n \end{array} \\ & \right] \end{aligned}

\begin{aligned} & \vec{c} = \vec{a} \times \vec{b} = \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ \end{matrix} \\ & \right| \end{aligned}

显然两个向量的叉乘垂直于这两个向量所在的平面,模长为两个向量构成的平行四边形的面积:

$ | \vec{a} \times \vec{b} | = |\vec{a}| |\vec{b}| sin<\vec a, \vec b>$

常用公式

公式总结

a,b,c 为任意向量,λ 为任意标量,则有:

  1. 反交换律(反对称性)
a×b=b×a
  1. 分配律
a×(b+c)=a×b+a×c(a+b)×c=a×c+b×c
  1. 数乘结合律
(λa)×b=λ(a×b)=a×(λb)
  1. 自叉乘为零
a×a=0
  1. 平行判定
aba×b=0
  1. 混合积(标量三重积)
a(b×c)=b(c×a)=c(a×b)

其几何意义为以 a,b,c 为棱的平行六面体的体积。

  1. 三重叉积(BAC-CAB 法则)
a×(b×c)=b(ac)c(ab)(a×b)×c=b(ac)a(bc)
  1. 拉格朗日恒等式(四重积)
(a×b)(c×d)=(ac)(bd)(ad)(bc)
  1. 叉乘模长
|a×b|2=|a|2|b|2(ab)2

推导过程

1. 反交换律

由行列式性质:交换两行,行列式变号。叉乘可写作

\begin{aligned} & \vec a \times \vec b = \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{matrix} \\ & \right|, \\ & \qquad \\ & \vec b \times \vec a = \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ a_1 & a_2 & a_3 \end{matrix} \\ & \right| \end{aligned}

后者交换了第二、三行,故

\begin{aligned} & \vec b \times \vec a = -\left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{matrix} \\ & \right| = -\vec a \times \vec b \end{aligned}

2. 分配律

c=(c1,c2,c3),则 b+c=(b1+c1,b2+c2,b3+c3)。由行列式对行的线性性:

\begin{aligned} & \vec a \times (\vec b + \vec c) = \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 + c_1 & b_2 + c_2 & b_3 + c_3 \end{matrix} \\ & \right| \\ & = \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{matrix} \\ & \right| \\ & + \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{matrix} \\ & \right| \\ & = \vec a \times \vec b + \vec a \times \vec c \end{aligned}

另一条分配律由反交换律即可推出。

3. 数乘结合律

\begin{aligned} & (\lambda \vec a) \times \vec b = \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ \lambda a_1 & \lambda a_2 & \lambda a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{matrix} \\ & \right| \\ & = \lambda \left| \\ & \begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{matrix} \\ & \right| \\ & = \lambda (\vec a \times \vec b) \end{aligned}

同理可证 a×(λb)=λ(a×b)

4. 自叉乘为零

a=b 时,行列式中有两行相同,值为零;或由 a×a=a×a2(a×a)=0,故 a×a=0

5. 平行判定

|a×b|=|a||b|sina,b,当两向量平行时夹角为 0πsin 值为 0,故 a×b=0;反之若叉乘为零,则 |a||b| 至少一个为零或 sin=0,即两向量平行(含共线)。

6. 混合积

\begin{aligned} & \vec a \cdot (\vec b \times \vec c) = \left| \\ & \begin{matrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{matrix} \\ & \right| \end{aligned}

由行列式的循环性质,轮换三行(偶数次交换)值不变:

a(b×c)=b(c×a)=c(a×b)

7. 三重叉积(BAC-CAB 法则)

先计算 i×(i×a) 等分量。用分量法:

a×(b×c)=[a2(b1c2b2c1)a3(b3c1b1c3)a3(b2c3b3c2)a1(b1c2b2c1)a1(b3c1b1c3)a2(b2c3b3c2)]

整理每个分量,例如第一分量:

a2b1c2a2b2c1a3b3c1+a3b1c3=b1(a2c2+a3c3)c1(a2b2+a3b3)

配凑 a1c1a1b1 项:

=b1(a1c1+a2c2+a3c3)c1(a1b1+a2b2+a3b3)=b1(ac)c1(ab)

即第一分量为 [b(ac)c(ab)]1。其余分量同理,故

a×(b×c)=b(ac)c(ab)

8. 拉格朗日恒等式

由混合积的交换性质:

(a×b)(c×d)=c(d×(a×b))

对括号内应用 BAC-CAB 法则:

d×(a×b)=a(db)b(da)

代入得

c[a(db)b(da)]=(ac)(bd)(ad)(bc)

9. 叉乘模长

由拉格朗日恒等式令 c=a,d=b

|a×b|2=(aa)(bb)(ab)2=|a|2|b|2(ab)2

再由 ab=|a||b|cosa,b,得

|a×b|2=|a|2|b|2(1cos2)=|a|2|b|2sin2a,b

开方即得 |a×b|=|a||b|sina,b

叉乘的求导

u(t),v(t) 是关于 t 的可微向量函数,a 为常向量,则

常向量与变向量叉乘的求导

ddt(a×u)=a×dudtddt(u×a)=dudt×a

推导过程: 由导数的定义及叉乘对数的线性性(数乘结合律与分配律),

ddt(a×u)=limΔt0a×u(t+Δt)a×u(t)Δt
=limΔt0a×[u(t+Δt)u(t)]Δt=a×limΔt0u(t+Δt)u(t)Δt=a×dudt

第二条同理,注意常数向量在右边时求导结果中导数项在前(顺序不能交换)。

两个变向量叉乘的求导

ddt(u×v)=dudt×v+u×dvdt

推导过程: 由导数定义

ddt(u×v)=limΔt0u(t+Δt)×v(t+Δt)u(t)×v(t)Δt

分子中减去并加上交叉项 u(t)×v(t+Δt)

=limΔt0u(t+Δt)×v(t+Δt)u(t)×v(t+Δt)+u(t)×v(t+Δt)u(t)×v(t)Δt
=limΔt0[u(t+Δt)u(t)]×v(t+Δt)Δt+limΔt0u(t)×[v(t+Δt)v(t)]Δt

v(t+Δt)v(t) 的连续性及叉乘的连续性,得

ddt(u×v)=dudt×v+u×dvdt

注意:由于叉乘不满足交换律(反交换),上式两项的顺序不可交换,否则会差一个负号。