线性代数笔记(3) 向量叉积的几何理解

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可能稍微有点绕,但主要是因为英语表述的问题短时间听起来说了一大堆话,讲的还是清楚的
本节图源都是上面的视频

叉积的一般概念

两个向量的叉积结果也是一个向量v x w = c
其中c的数值为以v w为相邻边的平行四边形面积,方向上符合vw的右手定则

而从c向量的求解上,有一种简单巧妙的求解方法:
如下,将分别代表x、y、z轴单位向量的i j kv w的各个分量写成行列式的方式,求算之,则得到c = (v2w3-v3w2) i + (v3w1-v1w3) j + (v1w2-v2w1) k
线性代数笔记(3) 向量叉积的几何理解_第1张图片
但是为什么可以这样做呢?

行列式的几何意义

首先我们要知道,三维向量列出的行列式 det(a b c),实际上表达的是以a b c为三条临边组成的平行六面体的体积

——这个知识点的原理也是线性变换,三维空间基(i j k)在(a b c)变换后变成了(a b c),此时原本(i j k)组成的体积为1的正方体就被变换到以a b c为三条临边组成的平行六面体

它的行列式是描述这一变换导致的体积缩放的程度的,几何和代数上都可以证明就是,这个平行六面体的体积(证明会很麻烦,略)

而这个平行六面体的体积,即使是固定了其中的两个向量(下图的橙色和紫色向量,假设他们处在xOy平面),只变化白色向量,只要其到z轴投影不变,那么六面体体积是不变的。
线性代数笔记(3) 向量叉积的几何理解_第2张图片
那么现在不妨把我们的第一张图中不太好理解的i j k换成变量x y z,有无数的x y z使得这个行列式值相等(他们的终点都处在一个与v w平面平行的平面上)
线性代数笔记(3) 向量叉积的几何理解_第3张图片
由于[x y z]到z轴的投影总是不变的,那么[x y z]在某一个处于z轴的向量P的线性变换下压缩到z轴,也就是[x y z]和P做点积,其结果也是不变的,除非这个P变了(这句话不理解请看上一节)

此时就说明,如果这个P找的好,是不是可以使得这个点积的值,永远都等于上图行列式的值
也就是贯穿视频的下面的等式。
线性代数笔记(3) 向量叉积的几何理解_第4张图片
我们把它展开后,实际上就是一个恒等式。那么P的各个维度的值就显而易见了。你可以先等一会再关心下面这个式子。
线性代数笔记(3) 向量叉积的几何理解_第5张图片

上面所作的核心,是用[x y z]向量的z轴 投影 搭建一个桥梁,这个桥梁将连接vw向量和P向量。

vw组成的平行四边形面积乘以投影 = 投影乘以P向量的长度

P的方向一定是在z轴,否则投影到z轴就不是投影到P了,两边的投影含义就不一样了
而含义一样时,等式两边消去 投影,就是叉积P的长度定义。

正负号的理解是自然几何的,v到w是左旋or右旋

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