1. 从几何意义出发
二维叉积的几何意义是两个向量张成的平行四边形的有向面积。其绝对值等于平行四边形的面积,符号由两个向量的相对方向决定(右手法则)。
平行四边形的面积公式为:
$$
S=|a|\cdot|b|\cdot\sin\theta
$$
其中 $\theta$ 是 a 和 b 之间的夹角。
2. 用坐标表示:
-
设 $a=(a_x,a_y), \quad b=(b_x,b_y)$
-
利用三角恒等式:
$\sin(\beta-\alpha)=\sin\beta\cos\alpha-cos\beta\sin\alpha$
其中 $\alpha$ 是 a 与 x 轴的夹角,$\beta$ 是 b 与 x 轴的夹角。
-
因为:
$
\begin{aligned}
&\cos\alpha=\frac{a_x}{|a|},\quad \sin\alpha=\frac{a_y}{|a|} \\
&\cos\beta=\frac{b_x}{|b|},\quad \sin\beta=\frac{b_y}{|b|}
\end{aligned}
$
-
代入面积公式:
$
\begin{aligned}
S&=|a|\cdot|b|\cdot \left(\frac{b_y}{|b|} \frac{a_x}{|a|} - \frac{b_x}{|b|}\frac{a_y}{|a|} \right) \\
&=a_xb_y-a_yb_x
\end{aligned}
$
-
因此,二维叉积的坐标公式为:
$
a \times b = a_xb_y-a_yb_x
$
注意:平行四边形的面积=向量叉积=矩阵行列式