在數學和向量代數領域，外積又稱叉積、叉乘、向量積，是對三維空間中的兩個向量的二元運算，使用符號 times。與點積不同，它的運算結果是向量。對於線性無關的兩個向量 mathbf a 和 mathbf b，它們的外積寫作 mathbf a times mathbf b，是 mathbf a 和 mathbf b 所在平面的法線向量，與 mathbf a 和 mathbf b 都垂直。外積被廣泛運用於數學、物理、工程學、計算機科學領域。 如果兩個向量方向相同或相反（即它們沒有線性無關的分量），亦或任意一個的長度為零，那麼它們的外積為零。推廣開來，外積的模長和以這兩個向量為邊的平行四邊形的面積相等；如果兩個向量成直角，它們外積的模長即為兩者長度的乘積。 外積和點積一樣依賴於歐幾里德空間的度量，但與點積之不同的是，外積還依賴於定向或右手定則。 叉積的名稱源自表示叉積運算的叉乘號（mathbf a times mathbf b），讀作 a cross b，向量積的叫法則是在強調其運算結果為向量而非標量。向量的另一種乘法是點積（mathbf a cdot mathbf b），讀作 a dot b，其結果為標量，稱為點積或數量積或標量積。 定義 兩個向量 mathbf a 和 mathbf b 的外積僅在三維空間中有定義，寫作 mathbf a times mathbf b。在物理學中，外積有時也被寫成 mathbf a wedge mathbf b，但在數學中 mathbf a wedge mathbf b 是外代數中的外積。 外積 mathbf a times mathbf b 是與 mathbf a 和 mathbf b 都垂直的向量 mathbf c。其方向由右手定則決定，範數等於以兩個向量為邊的平行四邊形的面積。 外積可以定義為： mathbf a times mathbf b mathbf a mathbf b sin theta mathbf n 其中 theta 表示 mathbf a 和 mathbf b 在它們所定義的平面上的夾角（0circ le theta le 180circ）。 mathbf a 和 mathbf b 是向量 mathbf a 和 mathbf b 的模長，而 mathbf n 則是一個與 mathbf a、mathbf b 所構成的平面垂直的單位向量，方向由右手定則決定。根據上述公式，當 mathbf a 與 mathbf b 平行（即 theta 為 0 或 180）時，它們的外積為零向量 mathbf 0。 按照慣例，向量 mathbf n 的方向由右手定則決定：將右手食指指向 mathbf a 的方向、中指指向 mathbf b 的方向，則此時拇指的方向即為 mathbf n 的方向。使用這一定則意味著外積滿足反交換律，mathbf a times mathbf b mathbf b times mathbf a：將右手食指指向 mathbf b、中指指向 mathbf a，那麼拇指就必定指向相反方向，即翻轉了外積的符號。 由此可以看出，使用外積需要考慮座標系的利手性，如果使用的是左手座標系，向量 mathbf n 的方向需要使用左手定則決定，與右手座標系中的方向相反。 這樣就會帶來一個問題：參照系的變換不應該影響 mathbf n 的方向（例如從右手座標系到左手座標系的映象變換）。因此，兩個向量的外積並不是（真）向量，而是贗向量。 計算 座標表示 右手座標系中，基向量 mathbf i、mathbf j、mathbf k 滿足以下等式： begin align mathbf itimesmathbf j mathbf k mathbf jtimesmathbf k mathbf i mathbf ktimesmathbf i mathbf j end align 根據反交換律可以得出： begin align mathbf jtimes i mathbf k mathbf ktimes j mathbf i mathbf itimes k mathbf j end align 根據外積的定義可以得出： mathbf itimesmathbf i mathbf jtimesmathbf j mathbf ktimesmathbf k mathbf 0（零向量）。 根據以上等式，結合外積的分配律和線性關係，就可以確定任意向量的外積。 向量 mathbf u 和 mathbf v 可以定義為平行於基向量的三個正交元素之和： begin align mathbf u u_1mathbf i u_2mathbf j u_3mathbf k mathbf v v_1mathbf i v_2mathbf j v_3mathbf k end align 兩者的外積 mathbf u times mathbf v 可以根據分配律展開： begin align mathbf utimesmathbf v u_1mathbf i u_2mathbf j u_3mathbf k times v_1mathbf i v_2mathbf j v_3mathbf k u_1v_1 mathbf i times mathbf i u_1v_2 mathbf i times mathbf j u_1v_3 mathbf i times mathbf k u_2v_1 mathbf j times mathbf i u_2v_2 mathbf j times mathbf j u_2v_3 mathbf j times mathbf k u_3v_1 mathbf k times mathbf i u_3v_2 mathbf k times mathbf j u_3v_3 mathbf k times mathbf k end align 即把 mathbf u times mathbf v 分解為九個僅涉及 mathbf i、mathbf j、mathbf k 的簡單外積之和。九個外積各自所涉及的向量，要麼相互平行、要麼相互正交。將最前面所述的幾個等式帶入其中，然後合併同類項，可以得到： begin align mathbf utimesmathbf v u_1v_1mathbf 0 u_1v_2mathbf k u_1v_3mathbf j u_2v_1mathbf k u_2v_2mathbf 0 u_2v_3mathbf i u_3v_1mathbf j u_3v_2mathbf i u_3v_3mathbf 0 u_2v_3 u_3v_2mathbf i u_3v_1 u_1v_3mathbf j u_1v_2 u_2v_1mathbf k end align 即結果向量 mathbf s s_1mathbf i s_2mathbf j s_3mathbf k mathbf u times mathbf v 的三個標量元素為： begin align s_1 u_2v_3u_3v_2 s_2 u_3v_1u_1v_3 s_3 u_1v_2u_2v_1 end align 也可以記作列向量的形式： begin pmatrix s_1s_2s_3end pmatrixbegin pmatrix u_2v_3u_3v_2u_3v_1u_1v_3u_1v_2u_2v_1end pmatrix 矩陣表示 外積可以表達為這樣的行列式： mathbf utimes v begin vmatrix mathbf imathbf jmathbf k u_1u_2u_3 v_1v_2v_3 end vmatrix 這個行列式可以使用薩呂法則或拉普拉斯展開計算。使用薩呂法則可以展開為： begin align mathbf utimes v u_2v_3mathbf iu_3v_1mathbf ju_1v_2mathbf k u_3v_2mathbf iu_1v_3mathbf ju_2v_1mathbf k u_2v_3 u_3v_2mathbf i u_3v_1 u_1v_3mathbf j u_1v_2 u_2v_1mathbf k end align 使用拉普拉斯展開可以沿第一行展開為： begin align mathbf utimes v begin vmatrix u_2u_3 v_2v_3 end vmatrixmathbf i begin vmatrix u_1u_3 v_1v_3 end vmatrixmathbf j begin vmatrix u_1u_2 v_1v_2 end vmatrixmathbf k u_2v_3 u_3v_2mathbf i u_1v_3 u_3v_1mathbf j u_1v_2 u_2v_1mathbf k end align 都可以直接得到結果向量。 性質 代數性質 對於任意三個向量 mathbf a、mathbf b、mathbf c， mathbf a times mathbf a mathbf 0 mathbf a times mathbf 0 mathbf 0 mathbf a times mathbf b mathbf b times mathbf a（反交換律） mathbf a times mathbf b mathbf c mathbf a times mathbf b mathbf a times mathbf c（加法的左分配律） mathbf a mathbf b times mathbf c mathbf a times mathbf c mathbf b times mathbf c（加法的右分配律） lambda mathbf a times mathbf b lambda mathbf a times mathbf b mathbf a times lambda mathbf b mathbf a times mathbf b mathbf c times mathbf d mathbf a mathbf c times mathbf b mathbf d mathbf a times mathbf d mathbf c times mathbf b mathbf a times mathbf b mathbf b times mathbf a mathbf a times mathbf b2 mathbf a2 mathbf b2 mathbf a cdot mathbf b2 begin vmatrix mathbf a cdot mathbf a mathbf a cdot mathbf b mathbf a cdot mathbf b mathbf b cdot mathbf b end vmatrix（拉格朗日恆等式） 一般來說，向量外積不遵守約簡律，即 mathbf a times mathbf b mathbf a times mathbf c 不表示 mathbf b mathbf c。此外，mathbf a times mathbf b mathbf 0 不表示 mathbf a mathbf 0 或 mathbf b mathbf 0。 但對於兩個非零向量 mathbf a 和 mathbf b， mathbf a times mathbf b mathbf 0 當且僅當 mathbf a 平行於 mathbf b 幾何意義 如果以向量 mathbf a 和 mathbf b 為邊構成一個平行四邊形，那麼這兩個向量外積的範數與這個平行四邊形的正面積相等（如圖 1）： left mathbf a times mathbf b right left mathbf a right left mathbf b right sin theta 同時，如果以向量 mathbf a、mathbf b、mathbf c 為稜構成一個平行六面體，那麼這個平行六面體的體積 mathbf V 也可以透過外積和點積的組合得到，這種積稱作標量三重積（如圖 2）： mathbf acdot mathbf btimes mathbf c mathbf bcdot mathbf ctimes mathbf a mathbf ccdot mathbf atimes mathbf b 因為標量三重積可能為負，平行六面體的體積需要取其絕對值： V mathbf a cdot mathbf b times mathbf c 因為外積的模長與其引數夾角的正弦有關，可以認為外積是「垂直度」的度量，正如點積是「平行度」的度量一樣。對於任意兩個單位向量，外積為 1 意味著它們互相垂直，外積為 0 意味著它們互相平行。點積則相反：點積為 0 意味著它們互相垂直。 單位向量還能帶來兩個特性：兩個單位向量的點積是它們夾角的餘弦（可正可負）；它們外積的模長則為夾角的正弦（始終為正）。 向量微分 對於實數 t 和兩個向量值函式 mathbf at、mathbf bt，乘積法則成立： frac ddtmathbf a times mathbf b frac dmathbf adt times mathbf b mathbf a times frac dmathbf bdt 三維坐標 給定直角座標系的單位向量 mathbf i，mathbf j，mathbf k 滿足下列等式： mathbf itimesmathbf j mathbf k、mathbf j times mathbf k mathbf i、mathbf k times mathbf i mathbf j 透過這些規則，兩個向量的外積的座標可以方便地計算出來，不需要考慮任何角度：設 mathbf a a_1mathbf i a_2mathbf j a_3mathbf k mathbf b b_1mathbf i b_2mathbf j b_3mathbf k 則 begin align mathbf a times mathbf b a_2b_3 a_3b_2mathbf ia_3b_1 a_1b_3mathbf ja_1b_2 a_2b_1mathbf k begin vmatrix mathbf i mathbf j mathbf k a_1 a_2 a_3 b_1 b_2 b_3 end vmatrix end align 外積也可以用四元數來表示。注意到上述 mathbf i、mathbf j、mathbf k 之間的外積滿足四元數的乘法。一般而言，若將向量 a1 a2 a3 表示成四元數 a1i a2j a3k，兩個向量的外積可以這樣計算：計算兩個四元數的乘積得到一個四元數，並將這個四元數的實部去掉，即為結果。更多關於四元數乘法，向量運算及其幾何意義請參見四元數與空間旋轉。 高維情形 七維向量的外積可以透過八元數得到，與上述的四元數方法相同。 七維外積具有與三維外積相似的性質： 雙線性性： mathbf x times amathbf y bmathbf z amathbf x times mathbf y bmathbf x times mathbf z amathbf y bmathbf z times mathbf x amathbf y times mathbf x bmathbf z times mathbf x 反交換律： mathbf x times mathbf y mathbf y times mathbf x mathbf 0 mathbf x times mathbf y 同時與 mathbf x 和 mathbf y 垂直： mathbf x cdot mathbf x times mathbf y mathbf y cdot mathbf x times mathbf y mathbf 0 拉格朗日恆等式： mathbf x times mathbf y2 mathbf x2 mathbf y2 mathbf x cdot mathbf y2 不同於三維情形，它並不滿足雅可比恆等式： mathbf xtimes mathbf ytimes mathbf z mathbf ytimes mathbf ztimes mathbf x mathbf ztimes mathbf xtimes mathbf y ne mathbf 0 應用 另外，在物理學力學、電磁學、光學和計算機圖形學等理工學科中，外積應用十分廣泛。例如力矩、角動量、洛倫茲力等向量都可以由向量的外積求解。在進行這些物理量的計算時，往往可以藉助右手定則輔助判斷方向。 歷史 1773 年，約瑟夫拉格朗日引入了點積和叉積的概念來研究三維空間中的四面體。1843 年，威廉哈密頓引入了四元數乘法，同時區分了 向（矢）量 和 標量 的概念。給定兩個四元數 0u 和 0v，其中 u 和 v 是 R3 空間中的向量，使得其乘積可以寫成為 mathbf u cdot mathbf vmathbf utimesmathbf v 的形式。詹姆斯克拉克麥克斯韋在四元數的基礎建立了著名的麥克斯韋方程組。四元數因此（同時也因為其他方面的）應用，在很長一段時間內都是物理學教育的必備內容。 在 1878 年威廉金頓克利福德在發表的《》中將兩個向量的叉積的範數定義為以這兩個向量為邊的平行四邊形的面積，且在在方向上垂直於它們所確定的平面。 四元數方法通常需要提取結果中的標量和向量部分的資訊，因此奧利弗亥維賽和喬賽亞威拉德吉布斯都認為其過於冗長。於是在四元數乘法被引入約四十年後，他們在激烈的反對聲中引入了點積和叉積以作為替代方案。新方法在效率上的便捷最終得到了一致認可，使得亥維賽可以將麥克斯韋方程組由最初的 20 個減為今天常見的 4 個。 在很大程度上獨立於這種發展，而且當時基本上不受歡迎，赫爾曼格拉斯曼發明了一種與二維和三維空間無關幾何代數，外積在其中起著中心作用。在 1853 年，與格拉斯曼同時代的人奧古斯丁路易柯西發表了一篇關於代數鍵的文章。代數鍵可用於求解方程，且和叉積有著相同的乘法特性。克利福德將哈密頓和格拉斯曼的代數結合起來，建立了克利福德代數。在三維向量的情況下，由兩個向量產生的雙向量二重化為一個向量，從而產生叉積。 交叉符號和 叉積 這個名字是從喬賽亞威拉德吉布斯開始的，它們最初出現在 1881 年給他的學生的私人出版筆記中，叫做《向量分析的元素》。吉布斯的符號以及 叉乘 這個名字後來透過他以前的學生編寫的教科書《向量分析》 獲得了廣泛的讀者。威爾遜從吉布斯的課件中重新組織了材料，以及 Heaviside，Föpps 和 Hamilton 出版的材料。他把向量分析分為下列三個部分： 定義了兩個主要的向量乘法，稱為： 兩個向量的直接乘，標量乘或者點乘。 兩個向量的斜乘，向量乘或叉乘。 還研究了幾種三重積和三重以上向量的乘積。還包括上述的三重積擴充套件。 參見 純量積 三重積 右手定則 外代數：外乘的實質，贗向量與贗標量 參考文獻 Category 向量 C Category 雙線性運算元