純量積(點積)與向量積(叉積)(DSE M2)

純量積 a · b = |a||b| cos θ = a₁b₁ + a₂b₂ + a₃b₃ 是一個數。向量積 a × b 則是同時垂直於 a 和 b 的向量,大小為 |a||b| sin θ,可展開 3 × 3 行列式求得。

用 AI 逐步解純量積與向量積題目
例題 1 的 a × b = i − 7j − 5k,垂直於 a 與 b 所在的平面。 自己試試 →

純量積與向量積公式

純量積a · b = |a||b| cos θ = a₁b₁ + a₂b₂ + a₃b₃
垂直的判別a · b = 0 ⟺ a ⊥ b(非零向量)
自身的純量積a · a = |a|²
向量積(行列式形式)a × b = (a₂b₃ − a₃b₂)i − (a₁b₃ − a₃b₁)j + (a₁b₂ − a₂b₁)k
a × b 的大小|a × b| = |a||b| sin θ
次序不可調換b × a = −(a × b), a × a = 0
兩者的關係|a × b|² = |a|²|b|² − (a · b)²

如何用行列式計算向量積

  1. 第一行寫 i、j、k,第二行寫 a 的分量,第三行寫 b 的分量。
  2. 沿第一行展開:遮去 i 所在的列,計算餘下的 2 × 2 行列式;j 和 k 同樣處理。
  3. 正負號為 + − +:j 項要減去。
  4. 驗算:把答案分別與 a 和 b 取純量積,兩者都必須等於 0,因為 a × b 垂直於 a 及 b。只需十秒,便可找出絕大部分計算錯誤。

純量積與向量積例題詳解

例題 1:用行列式求 a × b

設 a = 2i + j − k 及 b = i − 2j + 3k。求 a × b,並驗證它同時垂直於 a 和 b。

  1. i 分量:(1)(3) − (−1)(−2) = 1
  2. j 分量:−[(2)(3) − (−1)(1)] = −7
  3. k 分量:(2)(−2) − (1)(1) = −5
  4. a × b = i − 7j − 5k
  5. 驗算:(1)(2) + (−7)(1) + (−5)(−1) = 0 及 (1)(1) + (−7)(−2) + (−5)(3) = 0 ✓

答案: a × b = i − 7j − 5k

例題 2:用純量積求兩向量的夾角

求 a = 3i + 4k 與 b = i + 2j + 2k 的夾角,準確至三位有效數字。

  1. a · b = (3)(1) + (0)(2) + (4)(2) = 11
  2. |a| = √(9 + 16) = 5, |b| = √(1 + 4 + 4) = 3
  3. cos θ = 11 / (5 × 3) = 11/15
  4. θ ≈ 42.8°

答案: θ ≈ 42.8°

💡 應試陷阱與秘訣 (DSE 奪星陷阱)

⚠️ j 項帶負號計算向量積時最常見的錯誤,是漏了 j 項行列式前的負號。繼續計算前,務必先做兩次純量積驗算。
⚠️ a × b 與 b × a 方向相反向量積不符合交換律:b × a = −(a × b),必須依照題目的次序。相反,純量積的結果是一個數,切勿寫成 i、j、k 的形式。
⚠️ 純量三重積已不在課程內現行課程說明指出,純量三重積及「平行六面體」一詞並不在要求之內。舊試題仍會出現,遇到時不必驚慌,但毋須特別操練。

✏️ 自我測試:互動練習

溫習方法:點擊以下任何題目,即時在坐標網格載入並核對計算步驟。

(向量積)設 a = i + 2j + 3k、b = 2i − j + k,求 a × b 並驗證它與兩者垂直。
(純量積為 0)若 2i + kj − k 與 i − j + 4k 互相垂直,求 k 的值。
(兩向量的夾角)求 2i − j + 2k 與 i + j 的夾角。

常見問題

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