向量計算器(點積・叉積・模長・單位向量・夾角)

輸入兩個二維或三維向量,即可自動計算點積(內積)、叉積(外積)、模長(範數)、單位向量以及兩向量之間的夾角,免費向量計算工具。

小貼士

  • 可通過標籤頁切換二維、三維。選擇三維後會顯示z分量的輸入框以及叉積的計算結果。
  • 當點積為0時,兩個向量正交(垂直)。點積為正表示夾角為銳角,為負表示夾角為鈍角。
  • 叉積結果向量的方向同時垂直於輸入的兩個向量(遵循右手定則)。
  • 單位向量是原向量除以其模長(範數)後得到的向量,長度恰好為1,只表示方向。當只關心方向而不關心大小時可以使用。
  • 輸入零向量(所有分量均為0)時,其模長為0,因此無法計算單位向量與夾角。

常見問題

點積(內積)由兩個向量計算得到一個數(標量),常用於衡量向量的相似度或計算夾角。叉積(外積)由兩個向量計算得到一個新的向量,該向量同時垂直於原來的兩個向量,且僅在三維空間中有定義。

只有在三維空間中,才能唯一確定同時垂直於兩個給定向量的方向。在二維空間中無法確定這樣的垂直方向,而在四維及以上空間中這樣的方向有無數個,因此一般意義上的叉積只在三維空間中才能自然地定義。

可以使用公式 cosθ = (a·b) / (|a||b|)。將點積除以兩個向量模長的乘積即可得到cosθ,再對其取反餘弦(arccos),就能求出以角度制或弧度製表示的夾角θ。

單位向量是與原向量方向相同、但模長(長度)恰好為1的向量。將向量除以其模長即可得到單位向量,常用於計算機圖形學中的法向量,或物理學中只需表示方向的場合。

計算兩向量的點積,若結果為0,則兩向量正交(垂直)。本工具會自動計算輸入向量的點積,因此只需檢視該數值是否為0即可判斷。
ツールくん

閒話 ― 向量誕生於哈密頓的四元數

我們如今使用的"向量"概念與記法,源自19世紀愛爾蘭數學家威廉·羅恩·哈密頓發明的"四元數"。哈密頓為了表示三維空間中的旋轉而發明了由四個數構成的四元數,其中"純虛部"的三個分量後來成為了向量的雛形。

將向量從四元數中獨立出來,整理為如今的點積與叉積形式的,是美國物理學家約西亞·威拉德·吉布斯與英國工程師奧利弗·亥維賽。19世紀末,為了簡化物理學(尤其是電磁學)中的計算,他們從四元數複雜的運算規則中提取出必要的部分,建立起了如今的向量分析體系。

叉積之所以通常只在三維向量中有定義,是因為只有在三維空間中,才能唯一確定同時垂直於兩個給定向量的方向。正因為這一特性,叉積被廣泛應用於物理學中的力矩、角動量計算,以及計算機圖形學中曲面法向量的計算等諸多領域。