高中数学之向量外积的运用

关于向量外积的运用

向量积,数学中又称外积、叉积,物理中称矢积、叉乘,是一种在向量空间中向量的二元运算。与点积不同,它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和垂直。其应用十分广泛,通常应用于物理学光学和计算机图形学中。——百度百科

如图,这是 (2, 4) × (3, 0) = -12 ,我们得到了一个实数-12,而其绝对值为平行四边形面积。

如图,这是 (1, 0, 0) × (2, 4, 0) = (0, 0, 4) ,我们得到了一个垂直与已知两向量的法向量,且其模长为平行四边形面积。

公式(a,b 均为向量,θ为 a,b 的夹角)

1, | a × b | = | a | × | b | sinθ
2, a × b = (l, m, n) × (o, p, q) = (mq - np, no - lq, lp - mo)
3, a × b = - b × a
4, S = | a × b | / 2

运用1,已知三点坐标,求三角形面积

以任意一个点坐标为基准,做差得到两个向量,这两个向量可围成向量三角形
例如点 A (a, b, c), 点 B (d, e, f),点 C (g, h, i)
得到向量 p = (d - a, e - b, f - c) 和 q = (g - a, h - b, i - c)
使用公式2,然后取绝对值,得到三角形面积 S = | p × q | / 2

空间向量外积可以很容易的推广到平面向量
令 n = 0,q = 0
则有 a × b = (l, m, 0) × (o, p, 0) = (0, 0, lp - mo)
故 S = | a × b | / 2 = | lp - mo | / 2

三角形是最简单的几何图形,而在计算机领域求多边形面积是非常重要的,而用向量外积算出的有向面积,是解决求多边形面积的重要方法,它适用于凸多边形和凹多边形,非常灵活,简洁优美。

运用2,已知平面,求平面的法向量

找到平面内不共线的两向量 a,b,这两个向量决定了这个平面
使用公式2,得到向量 c,按照向量外积的定义,c 垂直于 a,b
故所求向量 c 即平面的法向量

向量外积得到的法向量,有很多用途,尤其是物理上的,例如3D图像渲染在CG和游戏领域非常重要,而好的视觉效果多半取决于环境光的仿真,光的传播有一个最基本的定理,那就是光线与平面的法线所成的反射角等于入射角,而与利用向量外积求平面法线,是最简洁优美的。

运用3,高中数学外挂

用它来做高中数学题简直就是开挂。

例如,已知三点坐标,求三角形面积这个问题。按照高中数学的套路,无非就是两点间距离公式算三边长,然后要么用海伦公式算面积,要么用余弦定理求出余弦值,换成正弦值,再求面积,这两种方法海伦公式稍微简便一点,但无非都难算了一些。而使用向量外积则简洁优美,我直接算 | a × b | / 2 的值就是面积了。

再例如,已知平面,求平面的法向量这个问题。按照我们数学老师的套路,无非找出平面内两个不共线向量 a,b,然后设平面的法向量 c = (x, y, z) 然后根据向量垂直 ca = 0 和 cb = 0 联立解得 x,y,z 为含参的式子(因为一个平面的法向量有无数个),最后直接令 z = 1 得到法向量。而使用向量外积,那就更简洁优美了,a × b 就搞定,如果想得到跟参考答案一样的法向量的话也很简单,a × b 算出的 (x, y, z) 中三个数值同时除以z的数值就行了,相当于令z = 1。

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