关于叉乘与三维空间中的旋转

对三维叉乘,它的核心性质是,假设 是两个向量,我们希望定义它们的外积 ,使得对任何向量 围成的有向体积是

固定 ,行列式 的线性函数,按Riesz表示定理,对线性函数 ,存在唯一的 使其写成内积 形式,这个 线性依赖于 。具体来说考虑行列式展开于是就得 ,称为 叉乘。叉乘的定义可以记作相当于使它变成一个与 点积时把 替换为 的式子(考虑关于 i/j/k 点积相当于取第1/2/3个分量)。

现在说一下这个叉乘的几何直观。叉乘的几何直观就是行列式按行列展开的几何直观,实际上为行列式多重线性的几何直观。行列式为其列向量的重线性函数固定底面,考虑 组成平行多面体(在高维这一般叫有序单形)有向体积(即它们的行列式),由于平行六面体 终点在平行六面体上表面关于 $(a,b) $类似地将 长度变为它自己的某个实数 倍,即以 ,使得有向体积变为原来的 倍。这是行列式重线性的几何直观。

接下来考虑二维行列式为何能表示体积。具体来说,考虑对向量 ,它和y轴上向量 分别是 x,y 轴正半轴的单位向量)围成体积是 ,与 围成有向体积是 (因为 ),从而 围成的有向面积无非是两者之和,我们熟知的 。于是对行列式按最右列展开展开假设 ,这个实际相当于说 围成的有向体积的是 围成的有向体积之和,而 围成的有向体积只和 在 yz 平面上的投影有关,因此正是 ,另外两者同理。