什麼是向量外積?
向量外積(又稱張量積或並矢積,dyadic product)會將一個長度為 m 的向量 a 與一個長度為 n 的向量 b 結合,產生一個 m × n 的矩陣 C。矩陣中的每一個元素,都只是 a 的某個分量與 b 的某個分量相乘:\(C[i][j] = a_i \times b_j\)。這一點和內積(點積)恰好相反——內積會把兩個向量「壓縮」成一個純量,而外積則把它們「展開」成一個完整的矩陣。外積屬於純粹的線性代數運算,全世界通用,不涉及任何地區性規則。
如何使用本計算器
請逐行輸入向量 a 的各個分量(每行一個數字,或以逗號分隔),接著用同樣方式輸入向量 b。兩個向量的長度不必相同。選擇要顯示的小數位數後送出,結果會列出矩陣維度(m × n)以及完整的矩陣表格。負數、小數與零都完全支援。
公式說明
若將 a 視為一個行向量(m × 1),將 b 視為一個列向量(1 × n,也就是 b 的轉置),則 $$\mathbf{a} \otimes \mathbf{b} = \mathbf{a}\,\mathbf{b}^{\top} = \begin{bmatrix} a_1 b_1 & a_1 b_2 & \cdots & a_1 b_n \\ a_2 b_1 & a_2 b_2 & \cdots & a_2 b_n \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_m b_1 & a_m b_2 & \cdots & a_m b_n \end{bmatrix}$$ 一個 m × 1 矩陣乘上一個 1 × n 矩陣,得到的就是 m × n 矩陣。矩陣的列數等於 a 的長度,行數則等於 b 的長度。所得矩陣的秩永遠為 1(若任一向量全為零,則秩為 0)。其中每個元素為 \(\left(\mathbf{a} \otimes \mathbf{b}\right)_{ij} = a_i\, b_j\)。
實例演算
設 a = [1, 2, 3](m = 3)、b = [4, 5](n = 2),則 C 為 3 × 2 矩陣:
第 1 列:\(1 \times 4 = 4\)、\(1 \times 5 = 5\)
第 2 列:\(2 \times 4 = 8\)、\(2 \times 5 = 10\)
第 3 列:\(3 \times 4 = 12\)、\(3 \times 5 = 15\)
因此 C = [[4, 5], [8, 10], [12, 15]],列數為 3、行數為 2。
常見問題
兩個向量必須等長嗎?不需要。無論長度 m 與 n 為何,外積都會產生一個 m × n 矩陣。要求等長的是內積(點積),而非外積。
外積符合交換律嗎?不符合。將兩個輸入對調,結果會變成原本的轉置:\(\mathbf{a} \otimes \mathbf{b} = (\mathbf{b} \otimes \mathbf{a})^{\top}\)。
外積和叉積有什麼不同?叉積(cross product)只在三維向量中定義,且結果仍是一個向量;外積則適用於任意維度,結果是一個矩陣。