【数学篇】06 # 可视化中你必须要掌握的向量乘法知识

简介: 【数学篇】06 # 可视化中你必须要掌握的向量乘法知识

说明

【跟月影学可视化】学习笔记。



向量的点乘


假设有两个 N 维向量 a 和 b,a = [a1, a2, ...an],b = [b1, b2, ...bn],那向量的点积代码如下:

a•b = a1*b1 + a2*b2 + ... + an*bn


在 N 维线性空间中,a、b 向量点积的几何含义,是 a 向量乘以 b 向量在 a 向量上的投影分量。

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当 a、b 两个向量平行时

a.x * b.x + a.y * b.y === a.length * b.length;


当 a、b 两个向量垂直时

a.x * b.x + a.y * b.y === 0;



向量的叉乘

向量 a 和 b 的叉积,就相当于向量 a(蓝色带箭头线段)与向量 b 沿垂直方向的投影(红色带箭头线段)的乘积。

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数学里计算叉乘:假设有两个三维向量 a(x1, y1, z1) 和 b(x2, y2, z2),那么,a 与 b 的叉积可以表示为一个如下图的行列式:

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行列式展开,公式如下:

a X b = [y1 * z2 - y2 * z1, - (x1 * z2 - x2 * z1), x1 * y2 - x2 * y1]


在右手系中求向量 a、b 叉积的方向时,大拇指所指的方向就是 a、b 叉积的方向,这个方向是垂直纸面向外(即朝向我们)。


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在二维空间里,由于 z 的值为 0,a X b 的数值,就等于 x1 * y2 - x2 * y1。二维空间中向量叉乘的物理意义就是 a 和 b 的力矩(力矩你可以理解为一个物体在力的作用下,绕着一个轴转动的趋向。它是一个向量,等于力臂 L 和力 F 的叉乘。



叉乘和点乘不同点

  • 向量叉乘运算的结果不是标量,而是一个向量
  • 两个向量的叉积与两个向量组成的坐标平面垂直


归一化

归一化就是让向量 v0除以它的长度(或者说是模)。归一化后的向量方向不变,长度为 1。



实例:扫描器

要检查某个点是否在扫描范围里

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我们可以添加一个单位向量v (0,1) 与这个点的向量求叉积

点在扫描范围内,如向量 a,就一定满足:

|a X v| <= ||a||v|sin(30°)| = |sin(30°)| = 0.5;


a0e53d3b94a3420da06e5503765e4086.png

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>扫描器</title>
</head>
<body>
    <script type="module">
        import { Vector2D } from './common/lib/vector2d.js';
        function isInRange(v, a) {
            // a.normalize() 即将 a 归一化
            // dot(v) => this.x * v.x + v.y * this.y
            return v.dot(a.normalize()) >= Math.cos(Math.PI/6);
        }
        console.log("向量(1,1)在扫描范围里吗", isInRange(new Vector2D(0, 1), new Vector2D(1, 1)))
        console.log("向量(0, 0)在扫描范围里吗", isInRange(new Vector2D(0, 1), new Vector2D(0, 0)))
        console.log("向量(0, 2)在扫描范围里吗", isInRange(new Vector2D(0, 1), new Vector2D(0, 2)))
        console.log("向量(0, -2)在扫描范围里吗", isInRange(new Vector2D(0, 1), new Vector2D(0, -2)))
        console.log("向量(2, 0)在扫描范围里吗", isInRange(new Vector2D(0, 1), new Vector2D(2, 0)))
        console.log("向量(-2, 0)在扫描范围里吗", isInRange(new Vector2D(0, 1), new Vector2D(-2, 0)))
        console.log("向量(1, 4)在扫描范围里吗", isInRange(new Vector2D(0, 1), new Vector2D(1, 4)))
    </script>
</body>
</html>



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