在数学中,当我们谈论向量乘法时,我们通常指的是两个向量的点积(内积)或叉积。这两种运算的结果分别对应于标量乘法和矢量加法。
一、标量乘法(点积)
如果有两个向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$,那么它们的点积(也称为标量乘法)定义为:
$$ vec{a} cdot vec{b} = a_1b_1 + a_2b_2 + a_3b_3 $$
其中 $a_i$ 和 $b_i$ 分别是向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$ 在各自基向量上的分量。
二、向量加法(矢量加法)
如果有两个向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$,那么它们的向量加法(也称为矢量加法)定义为:
$$ vec{a} + vec{b} = (a_1, a_2, a_3) + (b_1, b_2, b_3) $$
这里的加法是逐项进行的,结果是一个具有三个分量的新向量。
三、向量乘法(叉积)
如果有两个向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$,那么它们的向量乘法(也称为叉积)定义为:
$$ vec{a} times vec{b} = begin{vmatrix}
hat{i} & hat{j} & hat{k}
a_1 & a_2 & a_3
b_1 & b_2 & b_3
end{vmatrix} $$
这里,$hat{i}$, $hat{j}$, 和 $hat{k}$ 是单位向量,分别指向x轴、y轴和z轴的方向。这个行列式展开后得到一个三维向量,其分量为:
- $$ c_1 = a_2b_3
- a_3b_2, quad c_2 = a_1b_3 - a_3b_1, quad c_3 = a_1b_2 - a_2b_1 $$
这就是向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$ 的叉积。
四、向量的平方和模长
对于任何两个非零向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$,它们的向量平方(也称为向量的范数)定义为:
$$ (vec{a})^2 = a_1^2 + a_2^2 + a_3^2 $$
$$ (vec{b})^2 = b_1^2 + b_2^2 + b_3^2 $$
向量的模长(或欧几里得范数)是这些平方和的一半,即:
$$ ||vec{a}|| = sqrt{vec{a}^2} = sqrt{a_1^2 + a_2^2 + a_3^2} $$
$$ ||vec{b}|| = sqrt{vec{b}^2} = sqrt{b_1^2 + b_2^2 + b_3^2} $$
五、向量的混合积
如果有两个向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$,那么它们的混合积(也称为叉积和标量乘法的组合)定义为:
$$ vec{a} times (vec{b} cdot vec{c}) = vec{a} times vec{b} + vec{a} cdot vec{c} $$
这里的 $vec{c}$ 是另一个向量。这个表达式首先计算了向量 $vec{a}$ 和 $vec{b}$ 的叉积,然后计算了这个叉积与向量 $vec{c}$ 的点积。
以上是向量乘法的基本概念和公式。