Διανυσματικό γινόμενο

Στα μαθηματικά, το εξωτερικό γινόμενο, ή αλλιώς διανυσματικό γινόμενο είναι μια δυαδική λειτουργία, σε δύο διανύσματα στον τρισδιάστατο χώρο και παριστάνονται με το σύμβολο ×. Το γινόμενο a × b δύο γραμμικών ανεξαρτήτων διανυσμάτων a και b, είναι ένα τρίτο διάνυσμα το οποίο είναι κάθετο προς τα δύο (a και b). Επομένως το a × b είναι κάθετο προς το επίπεδο, που περιέχει τα a και b. Έχει πολλές εφαρμογές στα μαθηματικά, στην φυσική, στην μηχανική και στον προγραμματισμό. Δεν θα πρέπει να συγχέεται με το εσωτερικό γινόμενο.

Αν δύο διανύσματα έχουν την ίδια κατεύθυνση (ή έχουν την ακριβώς αντίθετη μεταξύ τους, δηλαδή δεν είναι γραμμικώς ανεξάρτητα) ή ένα από τα δύο είναι το μηδενικό διάνυσμα, τότε το γινόμενο τους είναι το μηδενικό. Πιο γενικά, το μέγεθος του γινομένου ισούται με την περιοχή του παραλληλογράμμου, που τα διανύσματα ορίζουν τις πλευρές του. Συγκεκριμένα,το μέγεθος του γινομένου δύο καθέτων διανυσμάτων είναι το γινόμενο των μηκών τους. Υπάρχει το αντίθετο (π.χ., a × b = −(b × a)) και ισχύει η επιμεριστική ιδιότητα (π.χ., a × (b + c) = a × b + a × c).

Όπως το εσωτερικό γινόμενο, εξαρτάται από τη μετρική του Ευκλείδιου χώρου. Σε αντίθεση όμως με το εσωτερικό γινόμενο, εξαρτάται από την επιλογή του προσανατολισμού.

Ορισμός

Βρίσκοντας τη διεύθυνση των διανυσμάτων, με τον κανόνα του δεξιού χεριού.

Το διανυσματικό γινόμενο δύο διανυσμάτων a και b μπορεί να οριστεί μόνο σε χώρους τριών διαστάσεων και συμβολίζεται a × b. Στη Φυσική, πολλές φορές χρησιμοποιείται ο συμβολισμός a ∧ b, όμως στα μαθηματικά αποφεύγεται, για να αποφευχθεί παρανόηση με το εξωτερικό γινόμενο.

Το γινόμενο a × b ορίζεται ως ένα διάνυσμα c, που είναι κάθετο προς τα a και b, με κατεύθυνση η οποία δίδεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού και έχει μέγεθος ίσο με το εμβαδόν του παραλληλόγραμμου που εκτείνονται οι φορείς.

Το διανυσματικό γινόμενο ορίζεται από τον τύπο:

$\mathbf {a} \times \mathbf {b} =\left\|\mathbf {a} \right\|\left\|\mathbf {b} \right\|\sin \theta \ \mathbf {n}$,

όπου θ είναι η γωνία μεταξύ a και b στο επίπεδο που τα περιέχει (ως εκ τούτου, είναι μεταξύ 0 ° και 180 °), ‖a‖ και ‖b‖ είναι τα μέτρα των διανυσμάτων α και β, και το n είναι ένα διάνυσμα ίσο με τη μονάδα, κάθετο στο επίπεδο που ορίζεται από τα a και b. Η κατεύθυνσή του δίνεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού (που απεικονίζεται). Εάν τα διανύσματα a και b είναι παράλληλα (δηλαδή, η γωνία θ μεταξύ τους είναι είτε 0 ° ή 180 °), από τον ανωτέρω τύπο, το γινόμενο των a και b είναι το μηδενικό διάνυσμα 0.

Το διανυσματικό γινόμενο a × b (μωβ) αλλάζει καθώς η γωνία μεταξύ του διανύσματος a (μπλε) και b (κόκκινο) αλλάζει. Το διανυσματικό γινόμενο είναι πάντα κάθετο και στα δύο διανύσματα. Έχει μέτρο ίσο με μηδέν όταν τα δύο διανύσματα είναι παράλληλα και μέγιστο μέτρο ίσο με ‖a‖‖b‖, όταν τα δύο διανύσματα είναι κάθετα μεταξύ τους.

Κατά σύμβαση, η κατεύθυνση του διανύσματος n δίνεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού, όπου ο δείκτης του δεξιού χεριού δείχνει προς την κατεύθυνση του a διανύσματος και το μεσαίο δάκτυλο στην κατεύθυνση του άλλου. Στη συνέχεια, το διάνυσμα n προκύπτει από τον αντίχειρα (δείτε την εικόνα στα δεξιά). Χρησιμοποιώντας τον κανόνα αυτό, συνεπάγεται ότι η ισχύει η αντιμεταθετική ιδιότητα, δηλαδή b × a = −(a × b). Δείχνοντας με τον δείκτη προς το διάνυσμα b πρώτα, και στη συνέχεια, δείχνοντας το μεσαίο δάχτυλο προς το a, ο αντίχειρας θα μετακινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση, αντιστρέφοντας την κατεύθυνση του n.

Είναι απαραίτητο να ληφθεί σοβαρά υπόψιν ότι το χέρι που θα χρησιμοποιηθεί, για την εύρεση της κατεύθυνσης των διανυσμάτων, να είναι το δεξί (όπως αναφέρεται ρητά στον ορισμό παραπάνω). Εάν χρησιμοποιηθεί σύστημα συντεταγμένων με το αριστερό χέρι, η κατεύθυνση του διανύσματος n δίνεται από τον κανόνα του αριστερού χεριού και δείχνει προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Αυτό, όμως, δημιουργεί ένα πρόβλημα, διότι με τη μετατροπή από το ένα αυθαίρετο σύστημα αναφοράς στο ένα άλλο (π.χ., ένας καθρεφτικός μετασχηματισμός από ένα δεξιόχειρο σε ένα αριστερόχειρο σύστημα συντεταγμένων), δεν θα πρέπει να αλλάξει την κατεύθυνση του n. Το πρόβλημα λύνεται με τη συνειδητοποίηση ότι το γινόμενο των δύο διανυσμάτων δεν ένα «αληθινό» διάνυσμα, αλλά μάλλον ένα ψευτο-διάνυσμα.

Υπολογισμός διανυσματικού γινομένου

Παράσταση συντεταγμένων

Η τυπική διανυσματική βάση (i, j, k, συμβολίζεται ως e₁, e₂, e₃) και τα στοιχειά του διανύσματος a (a_x, a_y, a_z, συμβολίζεται ως a₁, a₂, a₃)

Το πρότυπο διάνυσμα βάσης i, j, and k πληρούν τις ακόλουθες ιδιότητες:

${\begin{aligned}\mathbf {i} &=\mathbf {j} \times \mathbf {k} \\\mathbf {j} &=\mathbf {k} \times \mathbf {i} \\\mathbf {k} &=\mathbf {i} \times \mathbf {j} \end{aligned}}$

η οποία συνεπάγεται από την αντισυμμετρικότητα του γινομένου διανυσμάτων

${\begin{aligned}\mathbf {k\times j} &=-\mathbf {i} \\\mathbf {i\times k} &=-\mathbf {j} \\\mathbf {j\times i} &=-\mathbf {k} \end{aligned}}$

Ο ορισμός του γινόμενου διανυσμάτων συνεπάγεται επίσης ότι

$\mathbf {i} \times \mathbf {i} =\mathbf {j} \times \mathbf {j} =\mathbf {k} \times \mathbf {k} =\mathbf {0}$ (μηδενικό διάνυσμα).

Αυτές οι ισότητες, μαζί με την επιμεριστικότητα και γραμμικότητα του γινομένου διανυσμάτων (αλλά και οι δύο δεν ακολουθούνται εύκολα από τον ορισμό που δόθηκε ανωτέρω), είναι επαρκείς για να προσδιοριστεί το γινόμενο οποιωνδήποτε δύο διανυσμάτων u και v. Κάθε φορέας μπορεί να ορίζεται ως το άθροισμα των τριών ορθογώνιων συνιστωσών παράλληλα με το πρότυπο διάνυσμα βάσης:

${\begin{aligned}\mathbf {u} &=u_{1}\mathbf {i} +u_{2}\mathbf {j} +u_{3}\mathbf {k} \\\mathbf {v} &=v_{1}\mathbf {i} +v_{2}\mathbf {j} +v_{3}\mathbf {k} \end{aligned}}$

Το γινόμενο τους u × ν μπορεί να επεκταθεί με τη χρήση επιμεριστικότητας:

${\begin{aligned}\mathbf {u} \times \mathbf {v} ={}&(u_{1}\mathbf {i} +u_{2}\mathbf {j} +u_{3}\mathbf {k} )\times (v_{1}\mathbf {i} +v_{2}\mathbf {j} +v_{3}\mathbf {k} )\\={}&u_{1}v_{1}(\mathbf {i} \times \mathbf {i} )+u_{1}v_{2}(\mathbf {i} \times \mathbf {j} )+u_{1}v_{3}(\mathbf {i} \times \mathbf {k} )+{}\\&u_{2}v_{1}(\mathbf {j} \times \mathbf {i} )+u_{2}v_{2}(\mathbf {j} \times \mathbf {j} )+u_{2}v_{3}(\mathbf {j} \times \mathbf {k} )+{}\\&u_{3}v_{1}(\mathbf {k} \times \mathbf {i} )+u_{3}v_{2}(\mathbf {k} \times \mathbf {j} )+u_{3}v_{3}(\mathbf {k} \times \mathbf {k} )\\\end{aligned}}$

Αυτό μπορεί να ερμηνευθεί ως η ανάλυση του u × ν μέσα από το άθροισμα 9 απλών γινομένων διανυσμάτων που αφορούν φορείς ευθυγραμμισμένους με το i, j, ή k. Κάθε ένα από αυτά τα εννέα γινόμενα διανυσμάτων λειτουργεί με δύο διανύσματα που είναι εύκολο να χειριστούν, όπως είναι είτε παράλληλα είτε ορθογώνια μεταξύ τους. Από αυτή την ανάλυση, με τη χρήση των προαναφερθέντων ισοτήτων και από παρόμοιους κανόνες, παίρνουμε

${\begin{aligned}\mathbf {u} \times \mathbf {v} ={}&u_{1}v_{1}\mathbf {0} +u_{1}v_{2}\mathbf {k} -u_{1}v_{3}\mathbf {j} -{}\\&u_{2}v_{1}\mathbf {k} -u_{2}v_{2}\mathbf {0} +u_{2}v_{3}\mathbf {i} +{}\\&u_{3}v_{1}\mathbf {j} -u_{3}v_{2}\mathbf {i} -u_{3}v_{3}\mathbf {0} \\={}&(u_{2}v_{3}-u_{3}v_{2})\mathbf {i} +(u_{3}v_{1}-u_{1}v_{3})\mathbf {j} +(u_{1}v_{2}-u_{2}v_{1})\mathbf {k} \\\end{aligned}}$

που σημαίνει πως τα 3 βαθμωτά γινoμένα του διανύσματος s = s₁i + s₂j + s₃k = u × v ειναι

${\begin{aligned}s_{1}&=u_{2}v_{3}-u_{3}v_{2}\\s_{2}&=u_{3}v_{1}-u_{1}v_{3}\\s_{3}&=u_{1}v_{2}-u_{2}v_{1}\end{aligned}}$

Χρήση του κανόνα του Sarrus για τον υπολογισμό του διανισματικού γινομένου

Χρησιμοποιώντας τα διανύσματα σε στήλες, μπορούμε να έχουμε το ίδιο αποτέλεσμα ως εξής::

${\begin{pmatrix}s_{1}\\s_{2}\\s_{3}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}u_{2}v_{3}-u_{3}v_{2}\\u_{3}v_{1}-u_{1}v_{3}\\u_{1}v_{2}-u_{2}v_{1}\end{pmatrix}}$

Παράσταση σε πινάκα

Το γινόμενο διανυσμάτων επίσης μπορεί να εκφραστεί ως τυπικός προσδιορισμός:

$\mathbf {u\times v} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\u_{1}&u_{2}&u_{3}\\v_{1}&v_{2}&v_{3}\\\end{vmatrix}}$

Αυτός ο προσδιορισμός μπορεί να υπολογιστεί είτε με τον κανόνα του Sarrus είτε με την μέθοδο των οριζουσών. Χρησιμοποιώντας τον κανόνα Sarrus προκύπτει

$\mathbf {u\times v} =(u_{2}v_{3}\mathbf {i} +u_{3}v_{1}\mathbf {j} +u_{1}v_{2}\mathbf {k} )-(u_{3}v_{2}\mathbf {i} +u_{1}v_{3}\mathbf {j} +u_{2}v_{1}\mathbf {k} ).$

Χρησιμοποιώντας την μέθοδο των οριζουσών κατ μήκος της πρώτης γραμμής, προκυπτει

$\mathbf {u\times v} ={\begin{vmatrix}u_{2}&u_{3}\\v_{2}&v_{3}\end{vmatrix}}\mathbf {i} -{\begin{vmatrix}u_{1}&u_{3}\\v_{1}&v_{3}\end{vmatrix}}\mathbf {j} +{\begin{vmatrix}u_{1}&u_{2}\\v_{1}&v_{2}\end{vmatrix}}\mathbf {k}$

η οποία δίνει τις συνιστώσες του διανύσματος που προκύπτει.

Γινόμενο διανυσμάτων ως εξωτερικό διάνυσμα

Το γινόμενο διανυσμάτων σε σχέση με το εξωτερικό γινόμενο. Με το κόκκινο είναι το ορθομοναδιαίο διάνυσμα, και παράλληλο του μοναδιαίου bivector.

Το γινόμενο διανυσμάτων μπορεί να θεωρηθεί από την άποψη του εξωτερικού του διανύσματος. Η άποψη αυτή επιτρέπει μια φυσική γεωμετρική ερμηνεία του γινόμενου διανύσματος. Στην exterior algebra το εξωτερικό μέρος του διανύσματος (ή ελλειπτικό διάνυσμα) των δύο φορέων είναι bivector. Ένα bivector είναι ενα προσανατολισμένo επίπεδο, με τον ίδιο τρόπο που ένα διάνυσμα είναι προσανατολισμένο στοιχείου της ευθείας. Δεδομένων δύο διανυσμάτων a και b, μπορείτε να δείτε τα bivector A ∧ B ως προσανατολισμένο παραλληλόγραμμο που καλύπτεται από τα α και β. Το γινόμενο διανύσματος κατόπιν λαμβάνεται με λήψη του Hodge δυικό της bivector a ∧ b, χαρτογράφηση 2-διάνυσμα επί 2- διάνυσμα:

$a\times b=*(a\wedge b)\,.$

Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως το προσανατολισμένο πολυδιάστατο επίπεδο «κάθετο» στο bivector. Μόνο σε τρεις διαστάσεις είναι το αποτέλεσμα ενα προσανατολισμένο στοιχείο ευθεία - ένας φορέας - ενώ, για παράδειγμα, σε 4 διαστάσεις το Hodge δυικό ενός bivector είναι δισδιάστατο - ένα άλλο στοιχείο προσανατολισμένου επίπεδου. Έτσι, μόνο σε τρεις διαστάσεις είναι το γινόμενο του α και β του φορέα διπλού στο bivector ένα α ∧ b: είναι κάθετος προς το bivector, με προσανατολισμό χεριού του συστήματος συντεταγμένων του, και έχει το ίδιο μέγεθος σε σχέση με το μοναδιαιο διανυσμα ως a ∧ b έχει σχέση με το μοναδιαίο διάνυσμα. Ακριβώς τις ιδιότητες που περιγράφονται παραπάνω.

Γινόμενο διανυσμάτων και Χρήση

Όταν μετρήσιμες ποσότητες αφορούν το γινόμενο διανυσμάτων και τη χρήση των ισότιμων συστημάτων που χρησιμοποιούνται δεν μπορεί να είναι αυθαίρετες. Ωστόσο, όταν οι νόμοι της φυσικής είναι γραμμένοι ως εξισώσεις, είναι δυνατόν να γίνει μια αυθαίρετη επιλογή του συστήματος συντεταγμένων. Για να αποφύγετε τα προβλήματα, πρέπει να είστε προσεκτικοί να μην γράψετε πουθενά μια εξίσωση όπου οι δύο πλευρές δεν συμπεριφέρονται εξίσου το ίδιο με όλους τους μετασχηματισμούς που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Για παράδειγμα, αν η μία πλευρά της εξίσωσης είναι ένα γινόμενο δυο διανυσμάτων θα πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι όταν η χρήση από ισότιμο σύστημα δεν καθορίζεται εκ των προτέρων, το αποτέλεσμα δεν είναι διάνυσμα αλλά ένα ψευδοδιάνυσμα. Ως εκ τούτου, για τη συνοχή,η άλλη πλευρά πρέπει να είναι επίσης ένα ψευδοδιάνυσμα.

Γενικότερα, το αποτέλεσμα ενός γινόμενο διανυσμάτων μπορεί να είναι ένα διανυσματικό αντικείμενο ή ένα ψευδοδιάνυσμα, ανάλογα με τον τύπο του τα τελεστέους (διανύσματα ή ψευδοδιανύσματα). Δηλαδή, διανύσματα και ψευδοδιανύσμαtα είναι αλληλένδετες με τους ακόλουθους τρόπους με εφαρμογή του το εξωτερικό γινόμενο: •διάνυσμα×διάνυσμα=ψευδοδιάνυσμα •ψευδοδιάνυσμα×ψευδοδιάνυσμα=ψευδοδιάνυσμα •διάνυσμα×ψευδοδιάνυσμα=διάνυσμα •ψευδοδιάνυσμα×διάνυσμα=διάνυσμα

Έτσι από τις παραπάνω σχέσεις, η μονάδα βάσης διανυσμάτων,i, j και k ενός ορθοκανονικού,δεξιόχειρες(Καρτεσιανό) συντονίζουν πλαίσιο πρέπει όλα να είναι ψευδοδιανύσματα (αν μια βάση για μικτό διάνυσμα τύπων δεν επιτρέπεται δεδομένου ότι είναι συνήθως) από i × j = k, j × k = i and k × i = j.

Επειδή το εξωτερικό γινόμενο μπορεί επίσης να είναι ένα (αληθινο) διάνυσμα δεν μπορεί δηλαδή να αλλάξει κατεύθυνση με ένα είδωλο μετασχηματισμό. Αυτό συμβαίνει, σύμφωνα με τις παραπάνω σχέσεις, εάν ένας από τους τελεστέους είναι ένα (αληθινο) διάνυσμα και το άλλο είναι ένα ψευδοδιάνυσμα (π.χ., το εξωτερικό γινόμενο δύο διανυσμάτων). Για παράδειγμα, ένα τριπλό γινόμενο διανυσμάτων που αφορά τρία διανύσματα είναι ένα (αληθινο) διάνυσμα.

Εφαρμογές

Το εξωτερικό γινόμενο έχει εφαρμογές σε διάφορα πλαίσια: π.χ. χρησιμοποιείται σε υπολογιστική γεωμετρία, της φυσικής και της μηχανικής. Ακολουθεί μια λίστα μη εξαντλητικού καταλόγου παραδειγμάτων.

Υπολογιστική Γεωμετρία

Το εξωτερικό γινόμενο εμφανίζεται στον υπολογισμό της απόστασης των δύο κλίσης γραμμών (γραμμές που δεν είναι στο ίδιο επίπεδο) από την άλλη στον τρισδιάστατο χώρο.

Το εξωτερικό γινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει το κανονικό για ένα τρίγωνο ή το πολύγωνο, μια λειτουργία που πραγματοποιείται συχνά σε γραφικά υπολογιστών. Για παράδειγμα,το τύλιγμα ενός πολυγώνου (δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα) γύρω από ένα σημείο εντός πολυγώνου μπορεί να υπολογιστεί με τριγωνισμό του πολυγώνου (όπως το γωνστό σύστημα μιας ρόδας) και αθροίζοντας τις γωνίες (μεταξύ των ακτίνων) χρησιμοποιώντας το εξωτερικό γινόμενο για να παρακολουθείτε το πρόσημο του κάθε γωνία.

Στην υπολογιστική γεωμετρία του επιπέδου, το εξωτερικό γινόμενο χρησιμοποιείται για να καθορίσει το πρόσημο της οξείας γωνίας ορίζεται από τρία σημεία p_1=(x_1,y_1)</math>, $\scriptstyle p_{2}=(x_{2},y_{2})$ and $\scriptstyle p_{3}=(x_{3},y_{3})$. Αντιστοιχεί προς την κατεύθυνση του εξωτερικού γινομένου των δυο συνεπίπεδων διανυσμάτων που ορίζονται από τα ζεύγη των σημείων $\scriptstyle p_{1},p_{2}$ and $\scriptstyle p_{1},p_{3}$, i.e., δηλαδή, από το πρόσημο του$\scriptstyle P=(x_{2}-x_{1})(y_{3}-y_{1})-(y_{2}-y_{1})(x_{3}-x_{1})$. Στο «δεξιόχειρο'' σύστημα συντεταγμένων, εάν το αποτέλεσμα είναι 0, τα σημεία είναι συγγραμικά ;Εάν είναι θετικό, τα τρία σημεία αποτελούν μια θετική γωνία περιστροφής γύρω από το $\scriptstyle p_{1}$ $\scriptstyle p_{2}$ $\scriptstyle p_{3}$,αλλιώς μια αρνητική γωνία. Από μια άλλη άποψη, το σύμβολο $\scriptstyle P$ λέει αν το $\scriptstyle p_{3}$ είναι στα αριστερά ή στα δεξιά των $\scriptstyle p_{1},p_{2}$.

Το εξωτερικό γινόμενο χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του όγκου ενός πολυέδρου όπως ένα τετράεδρο ή ένα παραλληλεπίπεδο.

Γωνιακή ορμή και ροπή

Η γωνιακή ορμή $\scriptstyle \mathbf {L}$ ενός σωματιδίου για μια δεδομένη καταγωγή, είναι ορίζεται ως: $\mathbf {L} =\mathbf {r} \times \mathbf {p} \,$

Αρχείο:Am2.png

Γωνιακή ορμή

όπου $\scriptstyle \mathbf {r}$ είναι η θέση του διανύσματος του σωματιδίου σε σχέση με την προέλευση,$\scriptstyle \mathbf {p}$ είναι η γραμμική ορμή του σωματιδίου.

Με τον ίδιο τρόπο,η ροπή $\scriptstyle \mathbf {M}$ μιας δύναμης $\scriptstyle \mathbf {F} _{\mathrm {B} }$ εφαρμόζεται στο σημείο Β γύρω από το σημείο Α και δίνεται ως:

$\mathbf {M} _{\mathrm {A} }=\mathbf {r} _{\mathrm {AB} }\times \mathbf {F} _{\mathrm {B} }\,$

Στην μηχανική η ροπή μιας δύναμης την ονομάζεται επίσης ροπή και γράφεται ως $\scriptstyle \mathbf {\tau }$.

Από τη θέση $\scriptstyle \mathbf {r}$, γραμμική ορμή $\scriptstyle \mathbf {p}$ και δύναμη $\scriptstyle \mathbf {F}$ είναι όλα αληθή διανύσματα,τόσο η γωνιακή ορμή $\scriptstyle \mathbf {L}$ και η στιγμή μιας δύναμης $\scriptstyle \mathbf {M}$ είναι ψευδοδιανύσματα ή αξονικά διανύσματα.

Στερεό σώμα

Το εξωτερικό γινόμενο εμφανίζεται συχνά στην περιγραφή των άκαμπτων κινήσεων. Δύο σημεία P και Q σε ένα άκαμπτο σώμα μπορεί να σχετίζονται με: $\mathbf {v} _{P}-\mathbf {v} _{Q}=\mathbf {\omega } \times \left(\mathbf {r} _{P}-\mathbf {r} _{Q}\right)\,$

όπου $\scriptstyle \mathbf {r}$ είναι το σημείο της θέσης, $\scriptstyle \mathbf {v}$ είναι η ταχύτητα και $\scriptstyle \mathbf {\omega }$ είναι η γωνιακή ταχύτητα του σώματος.

Από τη στιγμή που η θέση $\scriptstyle \mathbf {r}$ και η ταχύτητα $\scriptstyle \mathbf {v}$ είναι αληθή διανύσματα,η γωνιακή ταχύτητα $\scriptstyle \mathbf {\omega }$ είναι ένα ψευδοδιάνυσμα ή αξονικό διάνυσμα.

Δύναμη Λόρεντζ

Το εξωτερικό γινόμενο χρησιμοποιείται για να περιγράψουν τη δύναμη Lorentz εμπευσμένοι από ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο $q_{e}$ : $\mathbf {F} =q_{e}\,\left(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} \right)$

Από τότε που η ταχύτητα $\scriptstyle \mathbf {v}$,η δύναμη $\scriptstyle \mathbf {F}$ και το ηλεκτρικό πεδίο $\scriptstyle \mathbf {E}$ ειναι όλα αληθή διανύσματα,το μαγνητικό πεδίο $\scriptstyle \mathbf {B}$ είναι ένα ψευδοδιάνυσμα.

Αλλα

Στο διανυσματικό λογισμό, το εξωτερικό γινόμενο χρησιμοποιείται για να καθορίσει τον τύπο του διανυσματικού φορέα.

Το τέχνασμα της επανασυγγραφής του εξωτερικού γινομένου σε όρους του πολλαπλασιασμού πινάκων εμφανίζεται συχνά στην επιπολική και στην πολυδιάστατη γεωμετρία,ιδίως όταν παραγωγίζοντας ταιριάζουν οι περιορισμοί.

Ιστορία

Το 1773, ο Ιταλός μαθηματικός Joseph Louis Lagrange, (γεννημένος Giuseppe Luigi Lagrancia), εισήγαγε τη μορφή των συνιστωσών στο γινόμενο διανυσμάτων, προκειμένου να μελετήσει το τετράεδρο σε τρεις διαστάσεις. Το 1843 ο Ιρλανδός μαθηματικός και φυσικός Sir William Rowan Hamilton εισήγαγε το τετραδικό διάνυσμα, και μαζί με αυτό τους όρους «φορέας» και «βαθμωτό». Δεδομένων δύο τετραδιων [0, u] και [0, v], όπου υ και ν είναι φορείς σε R3, το τετραδικό διάνυσμα τους μπορούν να συνοψιστούν ως [-u ⋅ v, u × v]. Ο James Clerk Maxwell χρησιμοποίησε το τετραδικό διάνυσμα του Hamilton για να αναπτύξει τις διάσημες εξισώσεις ηλεκτρομαγνητισμού, και για αυτό και για άλλους λόγους για έναν καιρό ήταν ένα ουσιαστικό μέρος της φυσικής εκπαίδευσης.

Το 1878 ο William Kingdon Clifford δημοσίευσε στοιχεία του Dynamic η οποία ήταν ένα προηγμένο κείμενο για την εποχή του. Αυτός ορίζει το γινόμενο δύο διανυσμάτων για να έχουν μέγεθος ίσο με το εμβαδόν του παραλληλογράμμου του οποίου οι δύο πλευρές έχουν κατεύθυνση κάθετη προς το επίπεδο τους.

Ο Oliver Heaviside στην Αγγλία και Josiah Willard Gibbs, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Yale στο Connecticut, αισθάνθηκε επίσης ότι οι μέθοδοι τετραδικών διάνυσματων ήταν πολύ δυσκίνητη, συχνά απαιτείται το βαθμωτό ή διανυσματικό μέρος του αποτελέσματος που πρέπει να εξαχθεί. Έτσι, περίπου σαράντα χρόνια μετά το τετραδικό διάνυσμα και το γινόμενο εισήχθησαν στη θερμαινόμενη αντιπολίτευση. Ζωτικής σημασίας για την (ενδεχόμενη) αποδοχή ήταν η αποδοτικότητα της νέας προσέγγισης, επιτρέποντας τον Heaviside να μειώσει τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού Μάξγουελ από αρχικά 20 σε 4 μέχρι σήμερα.

Σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητα από την εξέλιξη αυτή, και σε μεγάλο βαθμό παραγνωρισμένη εκείνη την εποχή, ο Hermann Grassmann θα δημιουργήσει μια γεωμετρική άλγεβρα δεν συνδέεται με δύο ή τρεις διαστάσεις, πάρα με την εξωτερική επιφάνεια του διανύσματος να παίζει κεντρικό ρόλο. Το 1853 ο Augustin-Louis Cauchy, σύγχρονος του Grassmann, δημοσίευσε ένα έγγραφο σχετικά με αλγεβρικό κλειδιά που χρησιμοποιήθηκαν για την επίλυση εξισώσεων και είχαν τις ίδιες ιδιότητες πολλαπλασιασμού με το διανυσματικό γινόμενο. Ο William Kingdon Clifford συνδύασε τις άλγεβρες του Χάμιλτον και Grassmann για την παραγωγή της άλγεβρας του Clifford, όπου στην περίπτωση των τρισδιάστατων διανυσμάτων η bivector που παράγεται από δύο φορείς dualizes σε ένα φορέα, αναπαράγοντας έτσι το γινόμενο.

Η παράσταση του γινόμενου και η ονομασία «διανυσματικό γινομενο» ξεκίνησε με τον Gibbs. Αρχικά εμφανίστηκαν σε ιδιωτικά δημοσιεύσεις-σημειώσεις για τους μαθητές του το 1881 ως στοιχεία της Διανυσματικής Ανάλυσης. Το βοηθητικό πρόγραμμα για τους μηχανικούς σημειώθηκε από τον Aleksandr Kotelnikov. Σημειογραφίκα ο Gibbs και το όνομα «γινόμενο» αργότερα έφτασε σε ένα ευρύ κοινό μέσω της Διανυσματικής Ανάλυσης, ένα βιβλίο από τον Edwin Bidwell Wilson, πρώην φοιτητή. ο Wilson αναδιατάσσει υλικό από διαλέξεις Gibbs, σε συνεργασία με το υλικό από δημοσιεύσεις των Heaviside, Föpps, και Χάμιλτον. Χώρισε την ανάλυση του φορέα σε τρία μέρη:

Πρώτον, εκείνο που αφορά την προσθήκη και τα βαθμωτά και διανυσματικά γινόμενα των φορέων. Δεύτερον, αυτό το οποίο αφορά τον διαφορικό και ολοκληρωτικό λογισμό στις σχέσεις της με την κλιμακωτή και λειτουργιά του φορέα. Τρίτον, η οποία περιέχει τη θεωρία της λειτουργίας του γραμμικού φορέα.

Δύο κύρια είδη φορέα πολλαπλασιασμού ορίστηκαν, και τα έλεγαν ως εξής:

Το ευθη, βαθμωτο, ή γινόμενο των δύο διανυσμάτων

Η ασυμμετρία, του φορέα, ή γινόμενο των δύο διανυσμάτων

Εξετάστηκαν, επίσης, διάφορα είδη τριπλών διανυσμάτων και διανυσμάτων άνω των τριών φορέων. Η προαναφερθείσα επέκταση τριπλου διανύσματος συμπεριλαμβάνεται επίσης.

Σημειώσεις

1.  Here, “formal" means that this notation has the form of a determinant, but does not strictly adhere to the definition; it is a mnemonic used to remember the expansion of the cross product.

Αναφορές

• Cajori, Florian (1929). A History Of Mathematical Notations Volume II. Open Court Publishing. σελ.  134. ISBN 978-0-486-67766-8. 
• E. A. Milne (1948) Vectorial Mechanics, Chapter 2: Vector Product, pp 11 –31, London: Methuen Publishing.
• Wilson, Edwin Bidwell (1901). Vector Analysis: A text-book for the use of students of mathematics and physics, founded upon the lectures of J. Willard Gibbs. Yale University Press. 
• T. Levi-Civita· U. Amaldi (1949). Lezioni di meccanica razionale (στα Italian). Zanichelli editore. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Hazewinkel, Michiel, επιμ.. (2001), «Cross product», Encyclopedia of Mathematics, Springer, ISBN 978-1-55608-010-4, http://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=p/c027120 
• Weisstein, Eric W., "Cross Product" από το MathWorld.
• A quick geometrical derivation and interpretation of cross products
• C.A. Gonano and R.E. Zich (2014). Cross product in N Dimensions - the doublewedge product, Polytechnic University of Milan, Italy.
• Z.K. Silagadze (2002). Multi-dimensional vector product. Journal of Physics. A35, 4949 (it is only possible in 7-D space)
• Real and Complex Products of Complex Numbers
• An interactive tutorial created at Syracuse University – (requires java)
• W. Kahan (2007). Cross-Products and Rotations in Euclidean 2- and 3-Space. University of California, Berkeley (PDF).