向量的內積和外積

2021-09-29 13:03:26 字數 3074 閱讀 2480

向量是由n個實數組成的乙個n行1列(n1)或乙個1行n列(1n)的有序陣列;

向量的點乘,也叫向量的內積、數量積,對兩個向量執行點乘運算,就是對這兩個向量對應位一一相乘之後求和的操作,點乘的結果是乙個標量。

點乘公式

對於向量a和向量b:

a =[

a1,a

2,a3

,…,a

n]a=[a_1,a_2,a_3,…,a_n]

a=[a1​

,a2​

,a3​

,…,a

n​]b=[

b1,b

2,b3

,…,b

n]b=[b_1,b_2,b_3,…,b_n]

b=[b1​

,b2​

,b3​

,…,b

n​]

a和b的點積公式為:

a ∗b

=a1b

1+a2

b2+…

+anb

na*b=a_1b_1+a_2b_2+…+a_nb_n

a∗b=a1

​b1​

+a2​

b2​+

…+an

​bn​

要求一維向量a和向量b的行列數相同。

點乘幾何意義

點乘的幾何意義是可以用來表徵或計算兩個向量之間的夾角,以及在b向量在a向量方向上的投影,有公式:

a ∗b

=∣a∣

∣b∣c

osθa*b=|a||b|cosθ

a∗b=∣a

∣∣b∣

cosθ

推導過程如下:

首先看一下向量組成,

定義向量:

c =a

−bc=a-b

c=a−b

根據三角形餘弦定理有:

c 2=

a2+b

2−2∣

a∣∣b

∣cos

θc^2=a^2+b^2-2|a||b|cosθ

c2=a2+

b2−2

∣a∣∣

b∣co

sθ根據關係c=a-b(a、b、c均為向量)有:

( a−

b)2=

a2+b

2−2a

∗b=a

2+b2

−−2∣

a∣∣b

∣cos

θ(a-b)^2=a^2+b^2-2a*b=a^2+b^2--2|a||b|cosθ

(a−b)2

=a2+

b2−2

a∗b=

a2+b

2−−2

∣a∣∣

b∣co

sθ即:a∗b

=∣a∣

∣b∣c

osθa*b=|a||b|cosθ

a∗b=∣a

∣∣b∣

cosθ

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:

θ =a

ccco

s((a

∗b)/

(∣a∣

∣b∣)

)θ=acccos((a*b)/(|a||b|))

θ=accc

os((

a∗b)

/(∣a

∣∣b∣

))根據這個公式就可以計算向量a和向量b之間的夾角。從而就可以進一步判斷這兩個向量是否是同一方向,是否正交(也就是垂直)等方向關係,具體對應關係為:

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

叉乘公式兩個向量的叉乘,又叫向量積、外積、叉積,叉乘的運算結果是乙個向量而不是乙個標量。並且兩個向量的叉積與這兩個向量組成的座標平面垂直。

對於向量a和向量b:

a =(

x1,y

1,z1

)a=(x_1,y_1,z_1)

a=(x1​

,y1​

,z1​)b=

(x2,

y2,z

2)b=(x_2,y_2,z_2)

b=(x2​

,y2​

,z2​

) a和b的叉乘公式為:

其中:根據i、j、k間關係,有:

叉乘幾何意義

在三維幾何中,向量a和向量b的叉乘結果是乙個向量,更為熟知的叫法是法向量,該向量垂直於a和b向量構成的平面。

在3d影象學中,叉乘的概念非常有用,可以通過兩個向量的叉乘,生成第三個垂直於a,b的法向量,從而構建x、y、z座標系。如下圖所示:

在二維空間中,叉乘還有另外乙個幾何意義就是:axb等於由向量a和向量b構成的平行四邊形的面積。

說是矩陣的叉乘,其實是說的是兩個向量的叉乘,矩陣是不能叉乘的。cross(a,b)返回向量a和b的叉乘,其中a,b必須是3個元素的向量!

比如a=[1,2,3],b=[4,5,6],

則cross(a,b)=[-3 6 -3].

它表示的意思是三維空間中的兩個點a(1,2,3)和b(4,5,6),再加上原點o,則構成的兩個向量oa,ob,則cross(a,b)就是垂直平面oab的向量,它的模是三角形oab面積的2倍。結合上面的例子,假若點c(-3,6,-3),則向量oc就是平面oab的法向量,|oc|就是三角形oab面積的2倍。

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