向量点乘(即内积)和叉乘(即外积、向量积)区别与意义分析
向量之间的叉乘和点乘,概念易混淆,分别不清楚,因此本文专门对这个概念进行了详细分析介绍。首先,介绍一下向量(Vector),在几乎所有的几何问题中,向量(有时也称矢量)是一个基本点。向量的定义包含方向和一个数(长度)。
在二维空间中,一个向量可以用一对x和y来表示。向量:既有方向又有大小的量。通常情况下会将向量放到坐标系中,常用的是笛卡尔坐标系,向量起始点通常放到原点(注:没有固定的起点,只要方向相同,大小相等,就认为两向量是相同的,但为了用数值坐标来表示向量,将起始点放到原点)
一、点乘 (Dot Product)
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,也叫数量积。结果是一个向量在另一个向量方向上投影的长度,是一个标量。
假设向量a和向量b:
a和b的点积公式(要求一维向量a和向量b的行列数相同)为:
对应点乘的几何意义为
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:
a·b = |a||b|cos(θ)
θ是向量a和向量b见的夹角。这里|a|我们称为向量a的模(norm),也就是a的长度, 在二维空间中就是|a| = sqrt(x2+y2)。这样我们就和容易计算两条线的夹角: cos(θ) = a·b /(|a||b|)
对于推导过程可以稍微利用余弦定理如下,
首先看一下向量组成:
定义向量: c = a - b
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
总结就是:
假如 向量a 为(x1, y1),向量b为(x2, y2)
点积(也叫内积)结果 为a·b = x1 * x2 + y1 * y2 = |a||b| cos<a,b>,可以理解为向量a在向量b上投影的长度乘以向量b的长度。
应用:
二、叉乘(cross product)
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i = (1,0,0)、 j = (0,1,0)、k = (0,0,1):
根据i、j、k间关系,有:
对应叉乘的几何意义为
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。叉乘的结果是个向量,方向在z轴上,在二维空间里,让我们暂时忽略它的方向,将结果看成一个向量,那么这个结果类似于上述的点积,有公式:
axb = |a||b|sin(θ),
然而角度 θ和上面点乘的角度有一点点不同,他是有正负的,是指从a到b的角度。因此 ,向量的外积不遵守乘法交换率,因为向量a×向量b=-向量b×向量a在物理学中,已知力与力臂求外积,就是向量的外积,即叉乘。
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。
叉积的绝对值就是A和B为两边说形成的平行四边形的面积。也就是AB所包围三角形面积的两倍。在计算面积时,我们要经常用到叉积。
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:
此文参考了众多博主的内容,感谢下面博主:
-牧野-
pangshaohua
知乎问题:点乘和叉乘的区别是什么?
炒饭大师
AndyJMR
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