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换个角度学习线性代数(三)

 imnobody2001 2025-05-08

书接上回,咱们继续来学习线性代数,这一节关注叉积 Cross Products

二维平面上的叉积

二维平面上,的叉积用表示, 它的大小等于围成的平行四边形的面积,同时用正负号表示2个向量的相对位置:如果相对逆时针远离,则为正;否则为负(可以用右手定则方便的确定正负号)

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从以上的讨论看出, 向量的叉积不具备交换律,可以明显得出

二维平面上的叉积与行列式的关系

如果联想到之前行列式的几何意义(用线性变化后基向量围成的平行四边形的面积代表线性变化的程度),可以明显得出这样的结论:计算二维平面上的2个向量的叉积,就是在计算这2个向量组成的矩阵的行列式

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两个特性

特性一:2个相互垂直的向量,叉积是最大的

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特性二:当对一个向量进行数乘时, 叉积的结果也进行了相同倍数的数乘

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标准的三维向量叉积

向量的叉积其实返回的是一个向量。三维向量的叉积处理2个三维向量、并生成一个新的三维向量,这个新向量的长度是两个原始向量平行四边形的面积、方向垂直于平行四边形这个平面(按照右手定则)

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标准的三维向量叉积的计算方法

有一个方便的计算公式, 可以计算叉积, 这个计算方法跟行列式亦有某种意义上的关联。

这个计算方法跟行列式有某种意义上的关联, 可以引入向量,然后和原始两个向量组成矩阵,计算矩阵的行列式,得到的坐标就是叉积:

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为什么计算方法跟行列式有如此神奇的关联,我们继续探讨~

关于叉积的小总结

我们给出了叉积的计算方法,恰好能通过行列式来简化处理和记忆。

只需要按照行列式的计算法,你会得到一个新的向量,它等于、 的线性组合

图片向量具备如下性质:

  • 它的长度等于原始向量组成的平行四边形面积
  • 它的方向垂直于原始向量组成的平行四边形平面
  • 它的方向满足右手定则

用线性变换的视角看叉积

前面学习点积的时候专门探讨过对偶性, 当你在处理一个将多维空间变换到一维数轴的线性变换时,你肯定可以用一个的矩阵来代表这种变换,这个线性变换的结果等价于跟这个矩阵的转置做点积

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我们用类似的思路来思考叉积,我们思考一个三维空间到一维数轴的线性变换----计算行列式。

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这个线性变换肯定也可以用一个矩阵来表示,根据线性变换的定义,我们可以写出如下的等式:

图片我们可以用点积的形式,重写上述等式:

图片联系行列式的计算方法, 我们可以得到:

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事实上,我们在根据寻找一个向量,这个向量的特殊性是任何一个向量跟它求点积、都等于将作为第一列、作为后2列的矩阵的行列式

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从几何的角度继续思考,结合之前行列式的学习,什么样的向量具备这样的性质:当把这个向量跟求点积,结果上等于构成的平行四边体的有向体积?

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向量点积的几何解释是的投影长度再乘以的长度:

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我们用类似的方法处理处理构成的平行四边体的有向体积(我们知道3维空间中行列式就代表有向体积):使用的四边形的面积乘以在垂直方向上的分量,它等价于让跟另一个向量求点积(该向量垂直于所构成平面、且大小等于平行四边形面积、方向整体上满足右手定则)

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也就是说, 我们是可以找到一个向量的,任意一个向量与它求点积等价于求由它以及的行列式

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这也就是之前我们提出问题的答案,为什么叉积的计算方法如此神奇的跟行列式联系在一起

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