Computer368461 views
高校倫理1440914 views
高校物理160543 views
中学数学623977 views
中学理科1631220 views
高校生物551985 views
英語614322 views
小学理科720199 views
教育149564 views
雑学1473717 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsLinux CommandsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalUniversity Entrance Exam MathColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesUniversity Entrance Exam Physics解析力学Quantum MechanicsStatistical MechanicsRelativityCelestial MechanicsAstrophysicsCosmologyElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

外積の成分表示(基底ベクトルの外積から組み立てる)

の外積は、成分で次のように書ける[1]

添字が と巡回している。この形は覚えるものではなく、基底ベクトルの外積から出てくるものである。

9 項に開いて 3 項が消え、残った 6 項が 3 つの組にまとまる。それだけの計算で導ける。

基底ベクトルどうしの外積

外積は幾何で定義される。大きさが 、向きは両方に直交し、右手系になる向きである[2]

右手系の座標では が互いに直交し、長さが 。この定義から次が出る。

添字が巡回している。 の順に並べれば、どこから始めても同じ形になる。

順番を入れ替えると符号が変わる。 である[1]

同じもの同士は になる。 だからで、

9 項に開く

外積は 2 つの変数のどちらについても線形である。だから括弧を普通に展開できる[1]

個の項が出る。係数はスカラーなので外へ出し、基底ベクトルどうしの外積だけを残す。

対角にあたる 3 項は、同じ基底ベクトルどうしなので 。9 項のうち 3 項が消える。

6 項をまとめる

残った 6 項に、巡回の公式と符号の規則を当てる。

の係数には添字 が、 には が、 には が現れる。

各成分で「自分以外の 2 つが巡回の順に並ぶ」という形になった。基底の外積が巡回していたことが、そのまま成分に写っている。

行列式の形で書く

同じ式を、第 1 行に基底ベクトルを置いた 次の行列式として書ける[1]

第 1 行で余因子展開すると、上の 3 つの成分がそのまま出る。ベクトルを成分に混ぜた形なので、厳密には行列式ではない。覚えるための書き方である。

この形にすると、性質がすぐ読める。 を入れ替えるのは 2 行の入れ替えなので符号が反転する。同じベクトルなら 2 行が等しく、値は

例:成分で計算する

とする。式に入れるだけである。

直交を確かめる。

どちらも になった。定義の「両方に直交」が、成分の式でも成り立っている。

直交することの証明

一般に成り立つことも式で言える。 を書き下す。

が対で現れる。全部で

行列式の形で見れば一瞬である。 は、第 1 行を に置き換えた行列式にあたる[1]。第 1 行と第 2 行が等しいので になる。

2 行が等しい行列式は 0

だから a と外積の内積は 0

外積は両方に直交する

大きさは平行四辺形の面積

外積の長さは、2 本が張る平行四辺形の面積に等しい[1,2]。成分から確かめられる。

ラグランジュの恒等式と呼ぶ。両辺を展開すると、同じ 9 項が並ぶ。

を代入して整理すると、次の形になる。

は、底辺 、高さ の平行四辺形の面積そのもの。

上の例で確かめる。 である。

右辺は で、。引くと で一致する。

例:面積と体積を出す

が張る平行四辺形の面積を求める。

外積は で、長さは 。底辺 、高さ の平行四辺形にあたる。

3 本なら体積が出る。 の絶対値が、平行六面体の体積になる[1]

をとる。

なので、内積は 。体積は絶対値をとって である。

記号でまとめる

3 つの添字を持つ記号を用意すると、成分の式が 1 行になる[3]

レヴィ・チヴィタ記号と呼ぶ。 個の成分のうち、 でないのは 個だけである[3]

2 つの添字を入れ替えると符号が変わる、という性質がそのまま外積の反対称性になる。巡回で不変なことが、基底の外積の巡回に対応する。

成分の式に現れる符号は、すべて 置換の偶奇 から来ている。

行列式の定義に出てくる符号と同じもの。外積と行列式が似た形をしているのは偶然ではない。

3 次元でしか作れない

2 本のベクトルに直交する方向を 1 つに決める、という操作は 次元に特有である。

次元で一次独立な 2 本をとると、両方に直交するベクトル全体は 次元の空間になる。この次元が になるのは のときだけ。

次元では 次元、つまり零ベクトルしかない。 次元では 次元ぶんの自由度が残り、向きが 1 つに決まらない。

だから外積は 次元の話として語られる。他の次元へ持っていくなら、別の道具に置き換えることになる。

はどれですか。

__RESULT__

巡回の順は なので、正の形は です。順番が逆なので符号が反転して になります。同じ基底どうしでないので にはなりません。

面積との関係も確かめる。

のとき、 はいくらですか。

__RESULT__

ラグランジュの恒等式から です。、つまり直交する場合の値で、内積が でないぶん小さくなります。

検算のしかた

出した外積と、もとの 2 本それぞれとの内積をとる。どちらも にならなければ、符号か添字を間違えている。

なら、 で通る。

順番を入れ替えて計算し、符号だけが反転するかを見る方法もある。 になれば、反対称性が保たれている。

大きさをラグランジュの恒等式で確かめるのが 3 つ目。 と一致すれば、成分の符号が正しい。

基底の外積が巡回すること。両方の変数について線形なこと。この 2 つだけで、成分表示は導ける。

参考

Michael Corral. *Cross Product*/01%3A_Vectors_in_Euclidean_Space/1.04%3A_Cross_Product). Vector Calculus.
Vector product. Encyclopedia of Mathematics.
Robert Littlejohn. *The Levi-Civita Symbol*. Physics 209 Notes 3, University of California, Berkeley.
$(a_2b_3 - a_3b_2,\ a_3b_1 - a_1b_3,\ a_1b_2 - a_2b_1)$ は覚える式ではありません。$\mathbf{e}_1 \times \mathbf{e}_2 = \mathbf{e}_3$ の巡回と、両方の変数についての線形性。この 2 つから括弧を開けば出てきます。$9$ 項に開いて対角の $3$ 項が消え、残る $6$ 項が $3$ 組にまとまる。第 1 行に基底ベクトルを置いた行列式の形にすると、入れ替えで符号が反転することも、同じベクトルなら $\mathbf{0}$ になることも一目で読めます。両方に直交する証明、長さが平行四辺形の面積になるラグランジュの恒等式、$3$ 次元でしか作れない理由まで。