Vektorprodukt

Vektorprodukt eller kryssprodukt er en binær operasjon som kombinerer to tredimensjonale vektorer til en ny vektor som står vinkelrett på de to opprinnelige og har en retning gitt ved høyrehåndsregelen.  Størrelsen er gitt ved arealet til parallellogrammet som har de to vektorene som sidekanter. Vektorproduktet angis ved symbolet (×) i motsetning til prikkoperatoren (⋅) som benyttes for indreprodukt.

Kryssproduktet mellom to vektorer eksisterer bare i tre dimensjoner og har sin bakgrunn i oppdagelsen av kvaternioner som ble gjort av Hamilton på midten av 1800-tallet. Omtrent samtidig utviklet Grassmann et relatert, ytre produkt som kan benyttes for vektorer i alle dimensjoner. Dagens vektorprodukt er en sentral del av vektoranalysen som ble formulert av Gibbs og Heaviside på slutten av 1800-tallet.

Anvendelser av vektorproduktet er spesielt utbredt innen mekanikk og elektromagnetisk teori. For eksempel er både det mekaniske dreiemomentet og Coriolis-kraften gitt ved dette produktet. Likedan er Poyntings vektor gitt ved kryssproduktet av det elektriske og magnetiske feltet og gir energitransporten i en elektromagnetisk bølge.  Formelen for Lorentz-kraften som virker på en elektrisk ladet partikkel som beveger seg i et magnetfelt, er også gitt ved et vektorprodukt.

Definisjon og egenskaper

Da fortegnet til vektorproduktet er gitt ved høyrehåndsregelen, er det antikommutativt i den forstand at det skifter fortegn ved ombytte av de to vektorene det kombinerer,

 

En vektor v som blir vektorielt multiplisert med seg selv, gir derfor null. Det vil si at man alltid har .

Produktet er også distributivt ved at .

Størrelsen av  vektorproduktet a × b er definert som arealet av parallellogrammet som har vektorene a og b som sidekanter. Hvis vinkelen mellom dem er θ, er dette arealet

 

hvor a = |a| og b = |b| er lengdene til vektorene som derfor også gir størrelsen av sidekantene i parallellogrammet. Hvis de to vektorene er like eller parallelle, er deres kryssprodukt lik med null da vinkelen mellom dem er null.

Hvis n er en vektor med lengde |n| = 1 som står vinkelrett på vektorene a og b i den retning som gis ved høyrehåndsregelen,  kan man derfor skrive deres vektorprodukt som

 

På denne formen fremgår dermed både dets størrelse og dets retning.

Ved å kvadrere produktet a × b, finner man

 

Dette resultatet forbinder indreproduktet a ⋅ b av de to vektorene med deres vektorprodukt og lengder.

Basale vektorprodukt

Vektorer i det tredimensjonale, euklidske rommet E3 kan fremstilles ved sine komponenter på tre basisvektorer. Vanligvis velges de å være ortonormerte og med bruk av kartesiske koordinater  (x,y,z) betegnes de som ex, ey og ez  eller alternativt som i, j og k. Denne notasjonen går tilbake til Hamiltons opprinnelige navn på de tre vektorielle kvaternionene. 

Benytter man denne siste notasjonen, vil en generell vektor derfor kunne skrives som . Vilkårlige kryssprodukt kan dermed uttrykkes ved de fundamentale produktene mellom de enkelte basisvektorene. Fra definisjonen av vektorproduktet er disse gitt som

 

Ved direkte utregning der man benytter den distributive loven, finner man da generelt at

 

Hver komponent av denne vektoren er arealet av parallellogrammet dannet av a og b projisert ned i de tre korresponderende koordinatplanene.

Som et eksempel kan man fra denne generelle formelen finne kryssproduktet av de to vektorene  og  Det gir a × b = . Derimot er indreproduktet  Sammenhengen mellom størrelsene til disse to produktene stemmer da  og

Vektorproduktet som determinant
Det generelle uttrykket for vektorproduktet mellom to vektorer kan skrives mer kompakt som en determinant. Fra dets form ser man at

 

Hvis de to vektorene er parallelle, er deres komponenter relatert ved en konstant. Determinanten vil da som forventet automatisk gi null. Denne formen for vektorproduktet er ekvivalent med å uttrykke det ved Levi-Civita-symbolet som

 

når de kartesiske indeksene (x,y,z) erstattes ved de de numeriske verdiene (1,2,3) og ,  og . Ofte skriver man ikke summasjonen over indeksene eksplisitt ut, men benytter i stedet Einsteins summekonvensjon der man summerer over alle like par med indekser.

Trippelprodukt
Da kryssproduktet av to vektorer er en ny vektor, kan det kombineres med en tredje vektor c. Det er et produkt av tre vektorer og kalles derfor for et trippelproduktet.  Siden to vektorer kan kombineres på to forskjellige måter, finnes det to ulike trippelprodukt. Gjøres dette ved bruk av det skalare indreproduktet, er resultatet et skalart trippelprodukt som er  . Alternativt kan man benytte vektorproduktet som resulterer i et vektorielt trippelprodukt av formen .

Skalart trippelprodukt

De to vektorene a og b definerer et parallellogram. Det er fordi a og b er frie vektorer som man kan flytte fritt rundt i det euklidske rommet. Disponerer man i tillegg over en tredje vektor c, kan denne derfor tenkes plassert i det hjørnet av parallellogrammet hvor de to første vektorene møtes. Sammen vil de tre vektorene på den måten utspenne et parallellepiped med a, b og c som sidekanter.

Per definisjon er det skalare trippelproduktet gitt ved indreproduktet

 

hvor c = |c| og θ er vinkelen mellom retningen til c og planet som parallellogrammet a × b danner. Men i uttrykket for trippelproduktet er c sinθ høyden til parallellepipedet slik at produktets verdi er ganske enkelt volumet til dette geometriske objektet. Da volumet er uavhengig av hvilken sideflate som velges som grunnflate, har man at

 

Er to av vektorene i produktet like, er produktet automatisk lik null. Det er ekvivalent med at det blir null for tre vektorer i samme plan.

Ved å benytte formelen for vektorproduktet uttrykt ved komponentene til vektorene, er det skalare trippelproduktet gitt ved

 

som er determinanten av komponentene til de tre vektorene. Dette følger også direkte fra definisjonen av vektorproduktet uttrykt ved det antisymmetriske Levi-Civita-symbolet. Da blir

 

når man benytter konvensjonen å summere over par med like indekser. Ved bruk av denne kan da indreproduktet mellom to vektorer skrives som  = am bn δmn hvor symbolet δmn er Kronecker-deltaet.

Trippel kileprodukt

Vektorer kan også inngå i en Grassmann-algebra hvor de kombineres ved det antisymmetriske kileproduktet med symbolet ∧ og kalles ytre multiplikasjon. To vektorer a og b kan da kombineres til bivektoren a ∧ b som igjen definerer et parallellogram med sidekanter a og b. Det kan derfor identifiseres med det vanlige vektorproduktet i tre dimensjoner, men eksisterer i motsetning til dette i rom med vilkårlig høye dimensjoner.

En bivektor er et orientert flateelement på samme måte som en vektor er et orientert linjestykke. Likedan danner tre vektorer et orientert volumelement a ∧ b ∧ c som er en trivektor og kan identifiseres med et  parallellepiped.. Da kileproduktet er assosiativt, er det ikke nødvendig å skille multiplikasjonene med parenteser. I tre dimensjoner er verdien av det triple kileproduktet det samme som det skalare trippelproduktet.

Vektorielt trippelprodukt
Trippelproduktet  gir en vektor som resultat og sies derfor å være vektorielt. Fra definisjonen av det vanlig kryssproduktet finner man at denne vektoren kan uttrykkes ved to indreprodukt og er

 

Det er antisymmetrisk i vektorene a og b. Dette resultatet finnes ved å skrive kryssproduktet uttrykt ved Levi-Civita-symbolet kombinert med identiteten

som det tilfredsstiller. Ett av Kronecker-deltaene i hver av de to termene gir et indreprodukt når identiteten blir brukt i det vektorielle trippelproduktet. Mange resultat i vektoranalyseen kan bevises på denne måten.

Alternativt kan man skrive dette trippelproduktet som

 

som skifter fortegn ved ombytte av b og c.  Dette viser også at produktet ikke er assosiativt. Derimot oppfyller det likheten

 

som er en utgave av den mer generelle Jacobi-identiteten som gjelder for produkt med samme symmetri som vektorproduktet.

Produkt av vektorprodukt
Siden kryssprodukter av to vektorer gir en vektor, kan to vektorprodukt kombineres enten ved et indreprodukt eller ved et kryssprodukt. I første tilfelle har man at

som følger direkte fra identeten for produktet av to Levi-Civita-symbol. Ved å kombinere de to produktene vektorielt, finner man istedet

 

ved å benytte formelen (u × v)× w =  v(u ⋅ w) -  u(v ⋅ w). Resultatet er antisymmetrisk både ved ombytte av a og b eller når c og d byttes om.

Referanser

Eksterne lenker
 E.W. Weisstein, Cross Product, MathWorld.
 matematikk.net, Vektorprodukt
 A quick geometrical derivation and interpretation of cross products

Lineær algebra
Analytisk geometri
Binære operasjoner