向量點積與叉積等幾何的定義及應用研究
要計算兩個向量的點積,需要將兩個向量的對應分量相乘,然後再將乘積相加。下面這段程式碼可以計算出兩個二維向量的點積:
var dotProduct = vectorOne.x * vectorTwo.x +vectorOne.y * vectorTwo.y;
計算兩個向量之間的點積是很簡單的,不過,這個點積的意義理解起來可就有些不太直觀了。首先請注意,與兩個向量的加減法運算結果不同,點積不是向量。專業人員把這種值叫做“標量”(scalar,也叫“純量”),就是說,它僅僅是個數字而已。
一,向量點積與叉積的定義
向量的點積:
假設向量u(ux, u
|u - v||u - v| = |u||u| + |v||v| - 2|u||v|cosα
===>
(ux - vx)2 + (uy - vy)2 = ux2 + uy2 +vx2+vy2- 2|u||v|cosα
===>
-2u
===>
cosα = (uxvx + uyvy) / (|u||v|)
這樣,就可以根據向量u和v的座標值計算出它們之間的夾角。
定義u和v的點積運算: u . v = (uxvx + uyvy),
上面的cosα可簡寫成: cosα = u . v / (|u||v|)
當u . v = 0時(即uxvx + u
可以將運算從2維推廣到3維。
兩個單位向量的點積得到兩個向量的夾角的cos值,通過它可以知道兩個向量的相似性,利用點積可判斷一個多邊形是否面向攝像機還是背向攝像機。
向量的叉積:
假設存在向量u(ux, uy, uz), v(vx, vy, vz), 求同時垂直於向量u, v的向量w(wx, wy, wz).
因為w與u垂直,同時w與v垂直,所以w . u = 0, w . v = 0; 即
uxwx + uywy + uzwz = 0;
vxwx + vywy + vzwz = 0;
分別削去方程組的wy和wx變數的係數,得到如下兩個等價方程式:
(uxvy - uyvx)wx = (uyvz - uzvy)wz
(uxvy - uyvx)wy = (uzvx - uxvz)wz
於是向量w的一般解形式為:
w = (wx, wy, wz) = ((uyvz - uzvy)wz / (uxvy - uyvx), (uzvx - uxvz)wz / (uxvy - uyvx), wz)
= (wz / (uxvy - uyvx) * (uyvz - uzvy, uzvx - uxvz, uxvy - uyvx))
因為:
ux(uyvz - uzvy) + uy(uzvx - uxvz) + uz(uxvy - uyvx)
= uxuyvz - uxuzvy + uyuzvx - uyuxvz + uzuxvy - uzuyvx
= (uxuyvz - uyuxvz) + (uyuzvx - uzuyvx) + (uzuxvy - uxuzvy)
= 0 + 0 + 0 = 0
vx(uyvz - uzvy) + vy(uzvx - uxvz) + vz(uxvy - uyvx)
= vxuyvz - vxuzvy + vyuzvx - vyuxvz + vzuxvy - vzuyvx
= (vxuyvz - vzuyvx) + (vyuzvx - vxuzvy) + (vzuxvy - vyuxvz)
= 0 + 0 + 0 = 0
由此可知,向量(uyvz - uzvy, uzvx - uxvz, uxvy - uyvx)是同時垂直於向量u和v的。
為此,定義向量u = (ux, uy, uz)和向量 v = (vx, vy, vz)的叉積運算為:u x v = (uyvz - uzvy, uzvx - uxvz, uxvy - uyvx)
上面計算的結果可簡單概括為:向量u x v垂直於向量u和v。
根據叉積的定義,沿x座標軸的向量i = (1, 0, 0)和沿y座標軸的向量j = (0, 1, 0)的叉積為:
i x j = (1, 0, 0) x (0, 1, 0) = (0 * 0 - 0 * 1, 0 * 0 - 1 * 0, 1 * 1 - 0 * 0) = (0, 0, 1) = k
同理可計算j x k:
j x k = (0, 1, 0) x (0, 0, 1) = (1 * 1 - 0 * 0, 0 * 0 - 0 * 1, 0 * 0 - 0 * 0) = (1, 0, 0) = i
以及k x i:
k x i = (0, 0, 1) x (1, 0, 0) = (0 * 0 - 1 * 0, 1 * 1 - 0 * 0, 0 * 0 - 0 * 0) = (0, 1, 0) = j
由叉積的定義,可知:
v x u = (vyuz - vzuy, vzux - vxuz, vxuy - vyux) = - (u x v)