外積は、3次元の2つのベクトルから、その両方に垂直な新しいベクトルを返します。その大きさは
∣a×b∣=∣a∣∣b∣sinθ
で与えられます。ここで θ は a と b のなす角で、右手系の座標系では向きは右手の法則に従います。
これで基本的な考え方をすばやくつかめます。平行なベクトルでは sinθ=0 なので、外積は零ベクトルになります。垂直なベクトルでは sinθ=1 なので、その長さの組に対して外積の大きさは最大になります。
座標での外積の公式
もし
a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3)
ならば
a×b=(a2b3−a3b2, a3b1−a1b3, a1b2−a2b1)
となります。
結果はスカラーではなくベクトルです。これは内積との大きな違いの1つです。
外積の向きと右手の法則
外積は、a と b を含む平面に垂直な向きを向きます。右手系の座標系では、右手の指を a から b へ小さいほうの角を通って曲げます。そのとき親指が指す向きが a×b の向きです。
順序は重要です。
a×b=−(b×a)
したがって、ベクトルの順番を入れ替えると向きは逆になります。
計算例:a×b を求める
次を考えます。
a=(2,0,0),b=(0,3,0)
成分の公式を使うと、
a×b=(0⋅0−0⋅3, 0⋅0−2⋅0, 2⋅3−0⋅0)
したがって
a×b=(0,0,6)
となります。
この例は、すべてが一目でわかるので便利です。
- 結果は正の z 方向を向いているので、2つの入力ベクトルの両方に垂直です。
- その大きさは 6 です。
- 同じ大きさは、a と b がつくる平行四辺形の面積でもあります。
大きさの公式でも確かめられます。ここでは ∣a∣=2, ∣b∣=3 で、なす角は 90∘ なので、
∣a×b∣=2⋅3⋅sin90∘=6
となります。
順序を逆にすると、
b×a=(0,0,−6)
です。
大きさは同じままですが、向きは反転します。
外積の大きさが意味するもの
∣a×b∣ は、a と b が張る平行四辺形の面積を表します。同じ2つのベクトルでできる三角形の面積がほしいなら、2 で割ります。
この幾何学的な意味から、平行なベクトルで外積が零になる理由もわかります。幅のない平行四辺形の面積は 0 だからです。
外積でよくある間違い
内積と混同する
内積はスカラーを返し、cosθ を使います。外積はベクトルを返し、その大きさには sinθ を使います。
順序が重要であることを忘れる
a×b と b×a は同じ向きを向きません。互いに逆ベクトルです。
ふつうの3次元の設定以外で使う
学校数学や工学の初学者向けの文脈では、外積はたいてい3次元の2つのベクトルに対して定義されます。2次元で扱う場合は、スカラーの面積として解釈したり、先にベクトルを3次元に埋め込んだりすることがよくあります。
外積はどこで使われるか
幾何学では、外積は面積や法線ベクトルを求めるのに役立ちます。ベクトル解析やグラフィックスでは、曲面や平面に垂直な方向を作るために使われます。
物理では、大きさと回転の向きの両方が重要なときに現れます。代表的な例はトルクです。
τ=r×F
この式は、回転させる効果が位置ベクトル、力、そしてそれらのなす角に依存することを表しています。
類題に挑戦してみよう
次を試してみましょう。
a=(1,1,0),b=(2,−1,0)
a×b を計算し、その大きさが ∣a∣∣b∣sinθ と一致するか確かめてください。そのあと順序を逆にして、新しい答えが反対向きになることも確認してみましょう。