Vad är kryssprodukten?
Kryssprodukten, även kallad vektorprodukten, multiplicerar två vektorer i rummet och ger en ny vektor som svar. Den skrivs . Resultatet har tre egenskaper: det är vinkelrätt mot både u och v, dess längd är lika med arean av parallellogrammet som u och v spänner upp, och dess riktning ges av högerhandsregeln.
Kryssprodukten finns bara för vektorer med tre koordinater. I planet finns ingen riktning som är vinkelrät mot två vektorer i planet utan att lämna planet. Det skiljer den från skalärprodukten, som fungerar i alla dimensioner och ger ett tal i stället för en vektor.
Formeln
Med u = (u₁, u₂, u₃) och v = (v₁, v₂, v₃) är kryssprodukten:
- x-koordinat:
- y-koordinat:
- z-koordinat:
Formeln är lättare att komma ihåg som ett determinantschema. Skriv de två vektorerna som rader under varandra. För x-koordinaten täcker man över x-kolumnen och räknar determinanten av den 2×2-matris som blir kvar, alltså korsvis produkt minus korsvis produkt. För y och z gör man likadant. Ett vanligt knep för att få tecknen rätt är att alltid ta kolumnerna i cyklisk ordning: y-z för x, z-x för y och x-y för z.
Räknade exempel
Exempel 1: (1, 2, 3) × (4, 5, 6)
x-koordinaten blir , y-koordinaten och z-koordinaten . Kryssprodukten är alltså (−3, 6, −3). Längden är , ungefär 7,35. Det är arean av parallellogrammet, och triangeln med u och v som sidor har hälften av den arean, ungefär 3,67 areaenheter.
Kontroll: och . Resultatet är vinkelrätt mot båda vektorerna, som det ska vara.
Exempel 2: koordinataxlarna
Enhetsvektorerna längs x och y ger (1, 0, 0) × (0, 1, 0) = (0, 0, 1), enhetsvektorn längs z-axeln. Med längderna 2 och 3 längs samma axlar blir kryssprodukten (0, 0, 6), och längden 6 är arean av rektangeln med sidorna 2 och 3.
Exempel 3: parallella vektorer
(1, 2, 3) och (2, 4, 6) är parallella, eftersom den andra är den första gånger 2. Kryssprodukten blir (0, 0, 0). Parallella vektorer spänner inte upp någon yta, så arean är 0. Det ger ett snabbt test för parallellitet i rummet.
Längden och vinkeln
Längden av kryssprodukten kan också skrivas , där θ är vinkeln mellan vektorerna. Det motsvarar formeln för parallellogrammets area, bas gånger höjd, eftersom höjden är . För u = (1, 1, 0) och v = (0, 1, 1) är längden √3 ≈ 1,73. Vinkeln mellan vektorerna är 60°, vilket kalkylatorn för vinkel mellan vektorer kan bekräfta.
Högerhandsregeln
Det finns två riktningar som är vinkelräta mot både u och v, rakt åt ena eller andra hållet. Högerhandsregeln avgör vilken. Peka med högerhandens pekfinger längs u och långfingret längs v. Tummen pekar då längs u × v. Byter man ordning blir resultatet det motsatta: . Ordningen spelar alltså roll, till skillnad från vanlig multiplikation och skalärprodukten.
Vanliga fel
- Teckenfel i y-koordinaten. Följ den cykliska ordningen z-x, eller kontrollera med skalärprodukten efteråt.
- Att byta ordning på vektorerna. v × u pekar åt motsatt håll mot u × v.
- Att försöka räkna kryssprodukten i planet. Lägg i så fall till z = 0 för båda vektorerna. Resultatet pekar då rakt längs z-axeln.
- Att glömma att triangelns area är hälften av längden, inte hela.
- Att blanda ihop den med skalärprodukten. Kryssprodukten ger en vektor, skalärprodukten ett tal.
Typiska uppgifter
En vanlig uppgift ger tre punkter A, B och C i rummet och frågar efter triangelns area. Räkna AB = B − A och AC = C − A, ta kryssprodukten och halva längden. En annan typ ber om en normalvektor till ett plan som innehåller två givna vektorer. Kryssprodukten av dem är en sådan normal, och den används för att skriva planets ekvation.
Exempel: A = (1, 0, 0), B = (0, 2, 0) och C = (0, 0, 3). Då är AB = (−1, 2, 0) och AC = (−1, 0, 3). Kryssprodukten blir (6, 3, 2) med längden 7, så triangelns area är 3,5 areaenheter. Samma vektor (6, 3, 2) är en normal till planet genom de tre punkterna.
Volymen av en parallellepiped, ett snett rätblock, med kanterna u, v och w är beloppet av . Det kallas trippelprodukten och är samma sak som determinanten av matrisen med u, v och w som rader. Är den 0 ligger de tre vektorerna i samma plan. Grunderna i vektorräkning finns i vektorkalkylatorn och längder i vektorlängdskalkylatorn.
Var används kryssprodukten?
I fysik ger kryssprodukten vridmoment, kraften gånger hävarmen, och riktningen visar vridaxeln. Den beskriver också den magnetiska kraften på en laddning i rörelse. I datorgrafik räknas normalvektorer till ytor med kryssprodukten, och de används sedan för att avgöra hur ljuset faller på ytan.
Så gör du på räknaren
- Räkna de tre koordinaterna en i taget, till exempel 2 × 6 − 3 × 5 =.
- Skriv negativa tal inom parentes.
- Längden: √((−3)² + 6² + (−3)²) =.
- Vissa räknare har ett vektorläge med en kryssproduktfunktion. Det handräknade schemat fungerar på alla räknare.
Alla verktyg finns bland kalkylatorerna för matriser och vektorer och på matematiksidan.