Ristitulo

Ristitulo eli vektoritulo on kolmi­ulotteisessa euklidisessa avaruudessa  määritelty kahden vektorin välinen laskutoimitus, jonka merkkinä käytetään vino­ristiä ×. Jos a ja b ovat kaksi eri­suuntaista vektoria, niiden ristitulo a × b on vektori, joka on molempia vastaan kohtisuorassa ja näin ollen kohti­suorassa niiden määrittämään tasoon nähden.  Risti­tulolla on monia sovelluksia matematiikassa, fysiikassa, tekniikassa ja tietokoneohjelmoinnissa. Se on erotettava vektorien pistetulosta eli skalaari­tulosta.

Jos vektorit ovat saman- tai vastakkaissuuntaisia, toisin sanoen ne eivät ole lineaarisesti riippumattomia, tai jompikumpi niistä on nollavektori, ristitulo on nollavektori. Muussa tapauksessa vektorien ristitulo on itseisarvoltaan (eli pituudeltaan) yhtä suuri kuin sen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina nämä vektorit ovat; erityisesti toistensa nähden kohti­suorien vektorien ristitulo on niiden pituuksien tulo. Ristitulo on anti­kommuta­tiivinen, toisin sanoen  ), ja se noudattaa osittelulakia vektorien yhteenlaskun suhteen, toisin sanoen ). Avaruus  varustettuna ristitulolla on algebra reaalilukujen kunnan yli. Se ei ole vaihdannainen eikä liitännäinen, mutta se on Lien algebra.

Pistetulon tavoin ristitulo riippuu euklidisen avaruuden metriikasta, mutta toisin kuin pistetulo, se riippuu myös avaruuden orientaatiosta eli kätisyydestä. Risti­tulon käsitettä voidaan yleistää monin tavoin; se voidaan tehdä kätisyydestä riippumattomaksi tulkitsemalla tulos pseudovektoriksi, tai kuinka monessa ulottuvuudessa tahansa voidaan vektorien ulkoista tuloa käyttää niin, että tuloksena on bivektori tai 2-muoto. Käyttämällä orientaatiota ja metristä struktuuria aivan samoin kuin tavan­omaisessa kolmi­ulotteisessa risti­tulossa voidaan n ulottuvuudessa muodostaa  vektorin tulo niin, että se on kohti­suorassa niitä kaikkia vastaan. Kuitenkin vain kolmessa tai seitsemässä ulottuvuudessa  voidaan kahden vektorin ei-triviaali tulo määritellä niin, että tuloksena on vektori. Niistäkin vain kolmi­ulotteisessa avaruudessa
ristitulo on yksikäsitteinen.

Määritelmä 

Vektorien a ja b ristitulo on määritelty vain kolmi­ulotteisessa avaruudessa, ja se merkitään . Fysiikassa käytetään joskus myös merkintää , mutta matematiikassa sitä vältetään käyttämästä, jottei se sekaantuisi ulkoiseen tuloon.

Ristitulo  määritellään vektorina c, joka on kohtisuorassa sekä a:ta että b:tä vastaan ja jonka suunta määräytyy oikean käden säännön mukaan  ja joka pituudeltaan on yhtä suuri kuin sen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina annetut vektorit ovat.

Ristitulo määritellään tällöin kaavalla 

missä  on vektorien a ja b välinen kulma niiden määrittämässä tasossa (näin ollen se on aina 0°:n ja 180°:n välillä), ja  ovat vektorien a ja b pituudet ja n niiden määrittämää tasoa vastaan kohtisuorassa oleva yksikkövektori, jonka suunta määräytyy oikean käden säännön mukaan oheisen kuvan osoittamalla tavalla.  Jos vektorit a ja b ovat saman- tai vastakkaissuuntaisia ( eli niiden välinen kulma on joko 0° tai 180°), seuraa määritelmästä, että niiden ristitulo on nollavektori 0.

Sopimuksen mukaan vektorin n suunnan antaa oikean käden sääntö: jos oikean käden etusormi osoittaa vektorin a ja keskisormi vektorin b suuntaan, peukalo osoittaa vektorin n suuntaan oheisen kuvan mukaisesti. Tästä säännöstä seuraa, että risti­tulo on anti­kommuta­tiivinen. Toisin sanoen, jos vektorit a ja b vaihdetaan keskenään, risti­tulon suunta muuttuu vastakkaiseksi eli . Niinpä jos oikean käden asentoa muutetaan siten, että etusormi osoittaa vektorin b ja keskisormi vektorin a suuntaan, osoittaa peukalo väistämättä päin­vastaiseen suuntaan kuin aikaisemmin.

Edellä esitetystä määritelmästä seuraa, että ristituloa käytettäessä koordinaatiston kätisyys on otettava huomioon. Jos poikkeuksellisesti käytetään vasenkätistä koordinaatistoa, vektorin n suunnan antaa vasemman käden sääntö ja se osoittaa päinvastaiseen suuntaan.

Tästä aiheutuu kuitenkin ongelma, sillä jos yksi mieli­valtainen vertailu­järjestelmä vaihdetaan toiseen, esimerkiksi peilauksessa, jolloin siirrytään oikea­kätisestä vasen­kätiseen koordinaatti­järjestelmään, ristitulon n suunta muuttuu. Tämän ongelma selviää, kun ymmärretään, ettei kahden vektorin risti­tulo ole aito vektori vaan pseudovektori, kuten jäljempänä tarkemmin selitetään.

Nimet 

Vuonna 1881 Josiah Willard Gibbs ja hänestä riippumatta Oliver Heaviside, ottivat käyttöön sekä pistetulon että ristitulon käyttämällä edellisen merkkeinä pistettä, (), jälkimmäisen merkkinä vinoristiä ("x") ().

Vastaavia laskutoimituksia oli jo vuonna 1877 käyttänyt William Kingdon Clifford. Korostaakseen sitä, että toinen niistä antaa tuloksena skalaarin, toinen vektorin, hän antoi niille nimet skalaaritulo ja vektoritulo, joita edelleenkin yleisesti käytetään nimitysten pistetulo ja ristitulo ohella.

Siihen, että vektori­tulon merkiksi valittiin vinoristi () ja sitä alettiin nimittää ristituloksi, vaikutti toden­näköisesti se, että ristitulon  jokaista skalaarista komponenttia laskettaessa kerrotaan keskenään a:n ja b:n ne komponentit, jotka eivät vastaa toisiaan. Sitä vastoin pistetuloa  laskettaessa kerrotaan vektorien toisiaan vastaavat, yhden­suuntaiset komponentit. Kuten jäljempänä selitetään, risti­tulo voidaan esittää tietyn­laisen 3×3 -matriisin muodossa. Sarrus'n säännön mukaisesti tämä merkitsee, että matriisin lävistäjien suunnassa toisiaan seuraavat luvut kerrotaan keskenään.

Ristitulon laskeminen

Koordinaattimerkintä

Kolmi­ulotteisen avaruuden standardien kanta­vektorien i, j ja k ristitulot ovat oikea­kätisessä koordinaatistossa seuraavat:

mistä ristitulon anti­kommuta­tiivi­suuden vuoksi seuraa: 

Ristitulon määritelmästä seuraa myös, että
 (nollavektori).

Voidaan osoittaa, että ristitulo noudattaa osittelulakia ja on lineaarinen, mikä tosin ei aivan mutkattomasti seuraa sen määritelmästä. Näiden ominai­suuksiensa sekä edellä lueteltujen kanta­vektorien risti­tulojen avulla voidaan laskea minkä tahansa kahden vektorin u ja v ristitulo. Jokainen vektori voidaan nimittäin esittää kolmen kohti­suoran komponentin summana, joista kukin on yhden kanta­vektorin suuntainen:

Ristitulo  voidaan näin ollen laskea osittelu­lain avulla:

Tämä voidaan tulkita niin, että  hajotetaan yhdeksän yksin­kertaisemman ristitulon summaksi, joista jokaisen tekijät ovat kanta­vektorien i, j ja k suuntaisia. Jokainen näistä yhdeksästä risti­tulosta on helppo käsitellä, sillä ne ovat joko toistensa suuntaisia tai toisiinsa nähden kohti­suorassa. Tästä hajotelmasta saadaan edellä esitettyjen yhtälöiden avulla ja yhdistämällä saman­muotoiset termit:

mikä merkitsee, että tuloksena saatavan vektorin kolme skalaarikomponenttia
s = s1i + s2j + s3k =  ovat

Sarakevektorien avulla sama tulos voidaan ilmaista myös seuraavasti:

Matriisimerkintä

Ristitulo voidaan muodollisesti esittää myös determinanttina:

Tämä determinantti voidaan laskea Sarrus'n säännön tai kofaktorikehitelmän avulla.
Sarrus'n säännön avulla saadaan

Jos sen sijaan käytetään kofaktori­kehitelmää ensimmäiselle riville, saadaan:

 
mistä ristitulovektorin komponentit saadaan suoraan.

Ominaisuuksia

Geometrinen merkitys 

Kahden vektorin ristitulon itseisarvo on yhtä suuri kuin sellaisen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina nämä vektorit ovat (katso kuvio 1):

Sellaisen suuntaissärmiön tilavuus V, jonka särmät ovat a, b ja c, voidaan laskea käyttämällä ristitulon ja pistetulon yhdistelmää, jota sanotaan skalaarikolmituloksi (katso kuvio 2):

Koska skalaarikolmitulo voi olla myös negatiivinen, suorakulmaisen särmiön tilavuus on skalaarikolmitulon itseisarvo. Esimerkiksi

Koska ristitulon itseisarvo on verrannollinen vektorien välisen kulman siniin, ristituloa voidaan käyttää kohtisuoruuden mittana samaan tapaan kuin pistetulo on yhden­suuntaisuuden mitta. Kahden
yksikkövektorin ristitulon itseisarvo on 1, jos ja vain jos ne ovat koht­isuorassa, ja 0, jos ja vain jos ne ovat saman- tai vastakkais­suuntaisia. Samojen vektorien pistetulon laita on tässä suhteessa täsmälleen päin­vastoin.

Vektorien komponentti­esityksen avulla voidaan myös määrittää niiden välinen kulma. Niiden pistetulo antaa tämän kulman kosinin, joka voi olla positiivinen tai negatiivinen, kun taas risti­tulon itseisarvo antaa saman kulman sinin, joka on aina positiivinen.

Algebralliset ominaisuudet 

 Jos kahden vektorin ristitulo on nollavektori (toisin sanoen ), joko ainakin toinen vektoreista on nolla­vektori, ( ja/tai ), tai vektorit ovat saman- tai vastakkais­suuntaisia (), jolloin niiden välisen kulman sini on nolla ( = 0° tai  = 180° ja ).
 Vektorin ristitulo itsensä kanssa on nolla­vektori, toisin sanoen .
 Ristitulo on anti­kommuta­tiivinen:

 Ristitulo noudattaa osittelulakia yhteen­laskun suhteen:

 

 Jos ristitulon jompikumpi tekijä kerrotaan skalaarilla, myös ristitulon arvo tulee kerrotuksi samalla skalaarilla:

 Ristitulo ei ole liitännäinen, mutta sille pätee Jacobin identiteetti:

Osoittelulaki, lineaarisuus ja Jacobin identiteetti osoittavat, että vektoriavaruus  varustettuna vektorien yhteen­laskulla ja risti­tulolla on Lien algebra, tarkemmin sanottuna kolmi­ulotteisen reaalisen orto­gonaalisen ryhmän Lien algebra SO(3).

 Ristitulo ei noudata supistus­sääntöä: Vaikka a ei olisi nolla­vektori, yhtälöstä  ei seuraa, että , vaan ainoastaan että:

Ristitulon määritelmästä seuraa, että tällöin vektorien a ja  välisen kulman on oltava nolla eli niiden on oltava yhden­suuntaiset. Toisin sanoen ne liittyvät toisiinsa skaalaustekijällä t, eli

 

jollakin skalaariarvolla t.

 Jos  ja  jollakin vektorilla a, joka ei ole nollavektori, on , sillä

 and

eli   on sekä vektorin a suuntainen että sitä vastaan kohtisuorassa, mikä on mahdollista vain, jos  eli b ja c ovat identtiset.

 Geometrisen määritelmän perusteella ristitulo on invariantti rotaatiossa akselin  ympäri. Kaavana:

, where  on rotaatiomatriisi, jossa .

Yleisemmin ristitulo noudattaa seuraavaa identiteettiä matriisimuunnoksissa:

missä  on 3×3 -matriisi ja  sen käänteismatriisin transpoosi. Voidaan helposti nähdä, miten tämä kaava palautuu edelliseen, jos  on rotaatiomatriisi.

Kahden ristitulon summalle pätee:

Differentioituminen 

Differentiaali­laskennan tulosääntö pätee jokaiselle bilineaariselle lasku­toimitukselle ja näin ollen myös ristitulolle:

missä a ja b ovat reaalimuuttujasta t riippuvia vektorifunktioita.

Kolmitulot 

Ristituloa käytetään molempia kolmituloja muodostettaessa. Kolmen vektorin skalaarikolmitulo on määritelty seuraavasti:

Skalaarikolmitulo on itseisarvoltaan yhtä suuri kuin sellaisen suuntaissärmiön tilavuus, jonka sivut ovat a, b ja c, ja siinä esiintyvät vektorit voidaan vaihtaa keskenään mihin tahansa järjestykseen, joka on edellä esitetyn parillinen permutaatio. Seuraavat lausekkeet ovat näin ollen yhtä suuret:

Vektorikolmitulo on vektorin ja toisen ristitulon tuloksen ristitulo, ja sen liittää pistetuloon seuraava lause:

Vektorien järjestyksen muistamiseen tämän kaavan oikealla puolella olevassa lausekkeessa voidaan käyttää muistisääntöä "BAC miinus CAB". Tätä kaavaa käytetään fysiikassa vektoreilla suoritettavien lasku­toimitusten yksin­kertaistamiseen. Muuan vektorianalyysissä käyttö­kelpoinen, gradientteihin liittyvä erikois­tapaus on:

missä  on Laplacen operaattori vektoreille.

Myös seuraavat identtiset yhtälöt liittävät ristitulon skalaarikolmituloon:
 

,
missä I on identtinen matriisi.

Vaihtoehtoinen muotoilu
Ristitulon ja pistetulon yhdistää toisiinsa kaava

Tässä oikealla puolella on vektorien a ja b Gramin determinantti, vektorien määräämän suunnikkaan pinta-alan neliö. Tämä ehto määrittää ristitulon suuruuden. Sillä jos pistetulo on määritelty vektorien välisen kulman  avulla:

tämä yhtälö voidaan kirjoittaa uudestaan muotoon:

Koska Pythagoraan lauseesta seuraa, että kaikilla kulmilla  pätee
,
saadaan tästä:

mikä on ristitulon itseisarvo ilmaistuna kulman  avulla ja yhtä suuri kuin vektorien a ja b määrittämän suunnikkaan pinta-ala.

Tämä vaatimus yhdessä sen kanssa, että ristitulo on kohti­suorassa tekijöihinsä a ja b nähden
tarjoaa mahdollisuuden ristitulon vaihto­ehtoiseen määritelmään:

Lagrangen identiteetti
Yhteyttä

voidaan verrata toiseen yhteyteen, joka liittyy tämän yhtälön oikealla puolella olevaan lausekkeeseen,
nimittäin Lagrangen identiteettiin,

missä a ja b voivat olla n-ulotteisia vektoreita. Tämä osoittaa, että Riemannin tilavuusmuoto pinnoille on sama asia kuin vektori­analyysin avulla laskettu tilavuus­alkio. Tapauksessa  nämä kaksi yhtälöä voidaan yhdistää niin, että saadaan vektorien ristitulon itseis­arvolle lauseke niiden komponenttien avulla:
 

Sama tulos saadaan myös suoraan käyttämällä ristitulon komponentteja, jotka saadaan yhtälöstä:

Avaruudessa  Lagrangen yhtälö on erikoistapaus normin multiplikatiivisuudesta 
kvaternioiden algebrassa: |vw| = |v||w|.

Se on myös erikois­tapaus toisesta kaavasta, jota sitäkin toisinaan sanotaan Lagrangen identiteetiksi ja joka samalla on kolmi­ulotteinen tapaus Binet'n-Cauchyn identiteetistä:

 

Jos  ja , tämä yksin­kertaistaa edellä esitettyä kaavaa.

Infinitesimaaliset generaattorit ja rotaatiot
Ristitulo kuvaa sopivasti rotaatioiden infinitesimaalisia generaattoreja avaruudessa . Erityisesti jos n on yksikkövektori avaruudessa  ja R(f,,n) merkitsee rotaatiota origon kautta kulkevan, n:n määrittämän akselin ympäri kulman f verran (mitattuna radiaaneina, n:n kärjen suunnasta katsottuna vastapäivään), on
 
jokaiselle vektorille . Ristitulo n kuvaa näin ollen vektorin n ympäri suoritetun rotaation infini­tesi­maalista generaattoria. Nämä infini­tesi­maaliset generaattorit muodostavat Lien algebran so(3) rotaatio­ryhmässä SO(3), ja todetaan, että Lien algebra  varustettuna ristitulolla on isomorfinen Lien algebran so(3) kanssa.

 Vaihtoehtoisia tapoja ristitulon laskemiseksi 

 Muunnos matriisien kertolaskuksi 
Vektorien ristitulo voidaan ilmaista myös antisymmetrisen matriisin ja vektorin tulona:

missä yläindeksi T tarkoittaa matriisin transpoosia ja [a]× määritellään seuraavasti:

On huomattava, että [a]× on kääntyvä matriisi, jossa a on sen oikean- tai vasemmanpuoleinen nollavektori.

Jos a itsekin on ristitulo,

saadaan

{| class="toccolours collapsible collapsed" width="60%" style="text-align:left"
!Todistus korvausmenettelyllä
|-
|Ristitulon kehitelmä johtaa tulokseen

Tässä vasemmalla puolella oleva lauseke on yhtä suuri kuin

Toisaalta oikealla puolella oleva lauseke on,

jonka transpoosi on

Yhtälön oikea puoli voidaan saattaa muotoon

Vertailu osoittaa, että yhtälön molemmilta puolilta saatiin sama matriisi.
|}

Geometrisen algebran avulla tämä tulos voidaan yleistää korkeampiinkin ulottuvuuksiin. Erityisesti kaikissa ulottuvuuksissa bivektori voidaan samastaa anti­symmetristen matriisien kanssa, jolloin anti­symmetrisen matriisin ja vektorin tulo on ekvivalentti bivektorin ja vektorin tulon ensimmäistä astetta olevan osan kanssa. Kolmessa ulottuvuudessa bivektorit ovat vektorien Hodgen duaaleja, joten tulo on ekvivalentti ristitulon kanssa, kun bivektoria käytetään sen vektori­duaalin sijasta. Korkeammissa ulottuvuuksissakin tulo voidaan laskea, mutta bivektoreilla on enemmän vapausasteita eivätkä ne ole ekvivalentteja vektorien kanssa.

Esimerkiksi epipolaari­sessa geometriassa tämä merkintä on usein myös paljon helppo­käyttöisempi.

Ristitulon yleisistä ominaisuuksista seuraa välittömästi, että

   and   

ja siitä, että [a]× on antisymmetrinen, seuraa, että

Edellä esitetty kolmitulon bac-cab -sääntö voidaan tämän merkinnän avulla helposti todistaa.

Kuten edellä todettiin, Lien algebra  varustettuna ristitulolla on isomorfinen Lien algebran so(3), kanssa, jonka alkiot voidaan samastaa anti­symmetristen 3×3 -matriisien kanssa. Kuvaus a -> [a]× on isomorfismi :n ja so(3):n välillä.
Tässä kuvauksessa 3-vektorien ristitulo vastaa anti­symmetristen 3x3 -matriisien kommutaattoria.

Indeksimerkintä tensoreille 
Ristitulo voidaan vaihto­ehtoisesti määritellä Levi-Civita-symbolin eijk ja pistetulon  avulla (joka orto­normaalin kannan tapauksessa on sama kuin ). Sen avulla vektori­merkintä voidaan muuttaa tensorien sovellukseksi:

missä indeksit  vastaavat vektorin komponentteja. Tämä ristitulon luonnehdinta esitetään usein lyhemmin käyttämällä Einsteinin summaussääntöä

jossa toistetut indeksit arvojen 1...3 yli on laskettu yhteen. On huomattava, että tämä esitysmuoto on toinen muoto ristitulon antisymmetrisiin matriiseihin perustuvasta esitysmuodosta:

Klassisessa mekaniikassa ristitulon esittäminen Levi-Civita-symbolin avulla voi tehdä mekaaniset symmetriat ilmiselviksi, kun fysikaaliset systeemit ovat isotrooppisia. Esimerkkinä voidaan mainita hiukkanen Hooken lain mukaisessa potentiaalissa, jossa se voi värähdellä kolmessa ulottuvuudessa; mikään näistä ulottuvuuksista ei ole millään tavalla erikois­asemassa, jolloin liikemäärämomentin ristitulo­esitys on symmetrinen tavalla, jonka Levi-Civita-esitys tekee ilmeiseksi.

 Muistisääntö 

Ristitulon määritelmän muistamiseen voidaan muistisääntönä käyttää sanaa "xyzzy".

Jos

missä:

on:

Toinen ja kolmas yhtälö saadaan ensimmäisestä yksinkertaisesti kierrättämällä alaindeksit keskenään pystysuorasti,  . Vaikeutena on luonnollisesti ensimmäisen yhtälön muistaminen, mihin on käytettävissä kaksi keinoa: on joko muistettava Sarrus'n skeeman kaksi relevanttia lävistäjää (ne, joissa 'i''' esiintyy), tai on muistettava xyzzy-järjestys.

Koska Sarrus'n skeeman ensimmäinen lävistäjä on juuri edellä mainitun 3×3 -matriisin päälävistäjä, sanan xyzzy kolme ensimmäistä kirjainta on helppo muistaa.

 Sovelluksia 
Ristituloa sovelletaan monissa yhteyksissä, esimerkiksi laskennallisessa geometriassa, fysiikassa ja insinööri­aloilla. Seuraavassa mainitaan joitakin esimerkkejä sovelluksista.

 Laskennallinen geometria 

Ristituloa voidaan käyttää laskettaessa kahden ristikkäisen suoran etäisyys, toisin sanoen sellaisten suorien etäisyys kolmiulotteisessa avaruudessa, jotka eivät ole samassa tasossa.

Ristitulolla voidaan laskea myös kolmion tai monikulmion normaali, mitä usein tarvitaan tietokone­grafiikassa. Esimerkiksi monikulmion kiertyminen myötä- tai vastapäivään jonkin sen sisällä olevan pisteen ympäri voidaan laskea jakamalla se kolmioihin hieman pyörän puolien tapaan ja laskemalla puolien väliset kulmat yhteen, jolloin ristitulon avulla saadaan selville kunkin kulman etumerkki.

Tason laskennallisessa geometriassa ristitulon avulla voidaan määrittää
kolmen pisteen ,  ja  määräämän kulman etumerkki. Se vastaa pisteparin  ja  määräämien, samassa talossa olevien vektorien ristitulon suuntaa, toisin sanoen lausekkeen  etumerkkiä. Jos ristitulo on nolla, pisteet ovat samalla suoralla. Käytettäessä "oikeakätisestä" koordinaatti­järjestelmää nämä kolme pistettä muodostavat positiivisen pyörähdys­kulman kierrossa pisteen  ympäri pisteestä  pisteeseen , mikäli lauseke on positiivinen, ja negatiivisen pyörähdys­kulman, jos lauseke on negatiivinen.

Ristitulon avulla voidaan laskea moni­tahokkaiden kuten tetraedrin tai suuntaissärmiön tilavuus.

Pyörimismäärä ja vääntömomentti

Hiukkasen pyörimismäärä  annetun akselin suhteen on:
  
missä  hiukkasen paikkavektori origon suhteen ja 
 hiukkasen liikemäärä.

Samaan tapaan pisteeseen B vaikuttavan voiman momentti pisteen A suhteen on:
  

Mekaniikassa voiman momenttia sanotaan myös vääntömomentiksi ja
merkitään 

Koska paikkavektori , liikemäärä 
ja voima  ovat kaikki aitoja vektoreita, sekä pyörimismäärä  että voiman momentti  ovat pseudo­vektoreita eli aksiaalisia vektoreita.

Jäykkä kappale
Ristituloa käytetään usein jäykän kappaleen kuvailuun.  Jäykän kappaleen kahden pisteen O ja Q välinen etäisyys pysyy vakiona, ja niiden nopeuksien välinen riippuvuus kappaleen pyöriessä on:

 

missä  on kunkin pisteen paikkavektori,  sen nopeus ja  kappaleen kulmanopeus.

Koska paikkavektori  ja nopeus  ovat aitoja vektoreita, kun taas kulmanopeus  on pseudovektori eli aksiaalinen vektori.

Lorentzin voima
Ristitulo esiintyy Lorentzin voiman lausekkeessa, joka osoittaa, kuinka suuri voima liikkuvaan sähkö­varaukseen  vaikuttaa sähkö- ja magneetti­kentässä.

 

Koska nopeus , voima  ja sähkökentän voimakkuus  ovat kaikki aitoja vektoreita, kun taas magneettivuon tiheys  on pseudovektori.

 Muita sovelluksia 
Vektorianalyysissä vektorikentän roottori määritellään muodollisesti nablan ja vektori­kentän ristitulona.

Ristitulon kirjoittaminen matriisien kertolaskun muotoon on epipolaarisessa geometriassa paljon käytetty toimenpide.

 Ristitulo ulkoisena tulona 

Ristituloa voidaan kuvata ulkoisen tulon käsittein. Tämä näkemys sallii ristitulon luonnollisen geometrisen tulkinnan. Ulkoisessa algebrassa kahden vektorin ulkoinen tulo (eli kiilatulo) on bivektori. Bivektori on suunnattu tasoalue pitkälti samaan tapaan kuin vektori on suunnattu jana. Kun on annettu kaksi vektoria a ja b, niiden bivektori  voidaan käsittää suunnatuksi suunnikkaaksi, jonka sivuina a ja b ovat. Ristitulo saadaan tällöin ottamalla bivektorista  Hodgen duaali, joka kuvaa 2-vektorit vektoreille:

Tämä voidaan käsittää suunnatuksi moni­ulotteiseksi alkioksi, joka on "kohtisuorassa" bivektoria vastaan. Vain kolmessa ulottuvuudessa tuloksena saadaan suunnattu jana, siis vektori, kun taas esimerkiksi neljässä ulottuvuudessa Hodgen duaali on kaksi­ulotteinen, siis toinen tasoalue. Niinpä vain kolmessa ulottuvuudessa vektorien a ja b ristitulo on bivektorin  kanssa duaalinen vektori: se on kohti­suorassa bivektoria vastaan, sen suunta riippuu koordi­naatiston kätisyydestä, ja se suuruudeltaan samassa suhteessa kohti­suoraa yksikkö­vektoria suurempi kuin  on yksikkö­bivektoria suurempi, täsmälleen niin kuin sen ominaisuudet on edellä kuvattu.

 Ristitulo ja kätisyys 

Kun muodostetaan mitattavien suureiden ristitulo, koordinaatti­järjestelmän kätisyyttä ei voida valita mielivaltaisesti. Kun kuitenkin fysiikan lait kirjoitetaan yhtälöiksi, koordinaatti­järjestelmän ja myös sen kätisyyden pitäisi olla mielivaltaisesti valittavissa. Jotta tästä ei koituisi ongelmia, on oltava tarkkana, ettei koskaan kirjoiteta sellaisia yhtälöitä, joiden molemmat puolet eivät käyttäydy samoin kaikissa muunnoksissa, jotka voivat tulla kysymykseen. Jos esimerkiksi yhtälön toisella puolella on kahden vektorin ristitulo, on otettava huomioon, että jos koordinaatti­järjestelmän kätisyyttä ei ole ennalta annettu, tulos ei ole (aito) vektori vaan pseudovektori. Tällöin yhteen­sopivuus­syistä yhtälön toisenkin puolen on oltava pseudo­vektori.

Yleisesti ristitulo voi olla joko aito vektori tai pseudo­vektori riippuen siitä, kumpaa tyyppiä sen
tekijät ovat. Tuloksen tyyppi riippuu sen tekijöiden tyypeistä seuraavasti:

 vektori × vektori = pseudovektori
 pseudovektori × pseudovektori = pseudovektori
 vektori × pseudovektori = vektori
 pseudovektori × vektori = vektori.

Tästä seuraa myös, että ylempänä esitetyt ortonormaalin oikeakätisen karteesisen koordinaatiston
yksikkö­vektorien i, j ja k ristitulot edellyttävät itse asiassa, että kaikki nämä kanta­vektorit ovat pseudo­vektoreita (ellei niiden ei sallita olevan eri tyyppiä, mitä yleensä ei sallitakaan), sillä ,   and .

Koska ristitulo saattaa olla myös (aito) vektori, se ei välttämättä vaihda suuntaansa peilauksessa tason suhteen. Näin on asian laita, jos toinen ristitulon tekijöistä on (aito) vektori ja toinen pseudovektori (toisin sanoen kahden vektorin ristitulo) Esimerkiksi kolmen aidon vektorin vektorikolmitulo on aito vektori.

 Yleistyksiä 
On olemassa useita tapoja yleistää ristitulon käsite useampaan ulottuvuuteen.

 Lien algebra 
Ristitulo on yksi yksinkertaisimmista Lien tuloista, ja näin ollen sitä yleistyksiä Lien algebrat, jotka on aksiomatisoitu binääriksi tuloiksi, jotka toteuttavat multilineaarisuuden, ristikkäissymmetrian ja Jacobin identiteetin aksioomat. On olemassa monia Lien algebroja, ja niiden tutkimuksesta on tullut laaja matematiikan ala, Lien teoria.

Esimerkiksi Heisenbergin algebra antaa toisen Lien algebran mukaisen struktuurin avaruudelle  Tässä kannassa   tulo on 

 Kvaterniot 
Ristitulo voidaan esittää myös kvaternioiden termein, ja tämä onkin syynä siihen, miksi kirjaimiai, j ja k on alettu käyttää avaruuden  standardien
kantavektorien tunnuksina. Yksikkö­vektorit i, j ja k vastaavat "binäärisiä" (180 asteen)
kiertoja vastaavien akselien ympäri. Näitä rotaatiota vastaavat "puhtaat" kvaterniot, joiden
skalaari­osa on nolla ja joiden normi on 1.

Esimerkiksi edellä esitetyt yksikkö­vektorien i, j, and k ristitulot vastaavat
täysin kvaternioiden i, j ja k kertolaskua. Yleensäkin jos vektori
 esitetään kvaterniona
, 
kahden vektorin ristitulo saadaan laskemalla vastaavien kvaternioiden tulo ja poistamalla tuloksesta
reaaliosa. Tämä reaaliosa on toisaalta sama kuin samojen vektorien pistetulon vastavektori.

Samastamalla 'puhtaasti imaginaariset kvaterniot edellä selitetyllä tavalla
:n vektorien kanssa osoittautuu toisaalta, että vektorien ristitulo on puolet
vastaavien kvaternioiden kommutaattorin arvosta.

 Oktoniot 
Seitsenulotteisten vektorien ristitulo voidaan muodostaa samaan tapaan kuin kolmiulotteistenkin käyttämällä oktonioita kvaternioiden sijasta. Se että muissa kuin kolmi- tai seitsenulotteisessa avaruudessa ei ole ei-triviaalia vektoriarvoista ristituloa, seuraa Hurwitzin lauseesta, jonka mukaan ainoat normitetut jakoalgebrat ovat 1-, 2-, 4- ja 8-ulotteiset.

 Kiilatulo 
Useammassa ulottuvuudessa ristitulolla ei ole suoranaista vastinetta, joka antaisi tulokseksi vektorin. On kuitenkin olemassa käsite kiilatulo, jolla on samantapaisia ominaisuuksia, paitsi että kahden vektorin kiilatulo ei ole tavallinen vektori vaan 2-vektori. Kuten edellä mainittiin, ristitulo voidaan tulkita kiilatuloksi kolmessa ulottuvuudessa käyttämällä Hodgen duaalia 2-vektorien kuvaamiseksi vektoreille. Kiilatulon Hodgen duaali antaa tuloksenaan -vektorin, joka on ristitulon luonnollinen yleistys missä tahansa määrässä ulottuvuuksia.

Kiilatulo ja pistetulo voidaan yhteenlaskemalla yhdistää geometriseksi tuloksi.

 Antisymmetriset matriisit 

Jos ristitulon edellytetään olevan binäärinen laskutoimitus, sen argumentteina on oltava tarkalleen kaksi vektoria. Jos sen tuloksen ei tarvitse olla vektori tai pseudovektori vaan sen sijaan matriisi, käsite voidaan yleistää kuinka moneen ulottuvuuteen tahansa.

Esimerkiksi mekaniikassa kulmanopeus voidaan tulkita joko pseudovektoriksi  
tai antisymmetriseksi matriisiksi eli ristikkäissymmetriseksi tensoriksi . Jälkimmäisessä tapauksessa jäykän kappaleen nopeuslaki saa muodon:
 

missä O määritellään muodollisesti kappaleen asemaan liittyvän pyörähdysmatriisin  avulla:
. Kolmessa ulottuvuudessa pätee:
 

Kvanttimekaniikassa pyörimismäärä eli liikemäärämomentti  esitetään usein antisymmetrisenä matriisina tai tensorina. Tarkemmin sanottuna se on kappaleen paikan  ja liikemäärän  ristitulo:

 

Koska sekä :llä että :llä voisi olla mielivaltainen määrä  
 komponentteja, tämäntyyppinen ristitulo voidaan yleistää kuinka moneen ulottuvuuteen tahansa siten, että laskutoimituksen "fysikaalinen" tulkinta säilyy.

Asian laskennallisesta puolesta kerrottiin edellä osiossa #Vaihtoehtoisia tapoja ristitulon laskemiseksi.

 Historia 

Vuonna 1773 italialainen matemaatikko Joseph Louis Lagrange (alkuperäiseltä nimeltään Giuseppe Luigi Lagrancia) otti käyttöön sekä piste- että ristituloksi nykyisin nimitetyt lausekkeet tutkiessaan tetraedriä kolmessa ulottuvuudessa.  Vuonna 1843 irlantilainen matemaattinen fyysikko Sir William Rowan Hamilton otti käyttöön kvaterniot ja niiden kertolaskun sekä samalla myös termit "vektori" ja skalaari". Jos  ja  ovat kaksi kvaternioita, joissa u ja v ovat :n vektoreita, kvaternioiden tulo on . James Clerk Maxwell muotoili kuuluisat sähkömagnetismin yhtälönsä alun perin Hamiltonin kvaternioiden avulla, ja tästä ja muista syistä kvaterniot kuuluivat jonkin aikaa oleellisena osana fysiikan oppimäärään.

Vuonna 1878 William Kingdon Clifford julkaisi teoksensa Elements of Dynamic (Dynamiikan alkeet), joka aikanaan oli hyvin edistyksellinen. Siinä hän määritteli kahden vektorin tulon vektoriksi, joka oli suuruudeltaan yhtä suuri kuin sen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina alkuperäiset vektorit ovat, ja suunta kohtisuorassa niiden muodostamaa tasoa vasten.

Englantilainen Oliver Heaviside ja Yalen yliopiston professori Josiah Willard Gibbs
Connecticutissa olivat myös sitä mieltä, että kvaternioihin perustuvat laskenta­menetelmät olivat liian hankalia, ja niitä käytettäessä tuloksesta oli usein merkitystä vain sen skalaari- tai vektoriosalla. Niinpä he ottivat käyttöön sekä piste- että risti­tulon noin 40 vuotta kvater­nioiden käyttöön­oton jälkeen, mutta he saivat osakseen kiivasta vastustusta. Siihen, että uusi lähestymis­tapa lopulta hyväksyttiin, vaikutti paljolti sen tehokkuus, joka teki Heavisidelle mahdolliseksi yhdistää Maxwellin alku­peräisistä 20 sähkö­magnetismin yhtälöistä useita siten, että jäljelle jäivät vain ne neljä, joita nykyisinkin yleisesti käytetään.

Tästä kehityksestä pitkälti riippumatta ja saamatta omana aikanaan osakseen sanottavaa huomiota Hermann Grassmann kehitti geometrisen algebran, joka ei rajoittunut kahteen tai kolmeen ulottuvuuteen ja jossa ulkoisella tulolla oli keskeinen osa. Vuonna 1853 Grassmannin aikalainen Augustin-Louis Cauchy julkaisu tutkielman algebrallisista avaimista, joilla voitiin ratkaista yhtälöitä ja joilla oli samat kertolaskuominaisuudet kuin ristitulolla. William Kingdon Clifford yhdisti Hamiltonin ja Grassmanin algebrat Cliffordin algebraksi, jossa kahden vektorin tulona saatava bivektori kolmiulotteisten vektorien tapauksessa on vektorin kaltainen ja vastaa vektorien ristituloa.

Ristitulon nimen ja merkinnän otti käyttöön Gibbs. Alun perin ne esiintyivät hänen yksityisesti opiskelijoilleen laatimassa monisteessa Elements of Vector Analysis vuodelta 1881. Käsitteen käyttökelpoisuuden mekaniikassa pani merkille Aleksandr Kotelnikov. Gibbsin merkintä ja nimitys "ristitulo" tulivat yleiseen käyttöön sen jälkeen, kun hänen entinen oppilaansa Edwin Bidwell Wilson laati oppikirjan Vector Analysis. Wilson järjesteli Gibbsin luentojen aineiston uudelleen ja yhdisti siihen aineistoa Heavisideltä, Föppsiltä ja Hamiltonilta. Hän jakoi vektorianalyysin kolmeen osaan:
 Kirjassa määriteltiin kahdenlaiset vektorien kertolaskut, joista käytettiin seuraavia nimiä:
 kahden vektorin suora, skalaari- eli pistetulo
 kahden vektorin ristikkäinen, vektori-''' eli ristitulo.
Kirjassa käsiteltiin myös useita erilaisia kolmituloja sekä useamman kuin kolmen vektorin tuloja. Edellä mainittu kolmitulon laajennus oli myös mukana.

Katso myös 

 Karteesinen tulo (tulojoukko)
 Pistetulo
 Skalaarikolmitulo
 Pseudovektori

Huomautukset

Lähteet

Viitteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla 

 
 
 
 
 
 

Lineaarialgebra
Analyyttinen geometria