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數學圖形學習

生活 更新时间:2025-09-15 04:39:51
什麼是向量

指具有大小(magnitude)和方向的量。它可以形象化地表示為帶箭頭的線段;箭頭所指:代表向量的方向;線段長度:代表向量的大小。與向量對應的量叫做數量(物理學中稱标量),數量(或标量)隻有大小,沒有方向。

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#三維直角坐标系
  • 直角坐标系也叫笛卡爾坐标系
  • 原本的二維坐标系(x,y 軸),再增加一個垂直的 z 軸
  • z 軸方向不同分成右手系和左手系

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三維空間向量

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#向量的表示
  • 二維

第一種是通常向量的表示,應該在數字的上方帶一個箭頭,用來區分向量,第二種是通過矩陣來表示,第三種是單位向量來表示。

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  • 三維

可以組合三維中任意向量

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#向量乘以常數
  • 向量乘以常數:向量乘以常數可以看到向量被成倍延長了;負數倍數會返過來:

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#向量的長度

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#線性組合
  • 二維

前提是兩個向量不是平行的。

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  • 三維

可以組合三維中任意向量

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#單位圓

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#弧度和角度

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#極坐标

由極點(pole)和射線(ray)組成的坐标系。用(角度,射線長度)描述一個點 比如圖中的(3, 60°)表示射線長3,從 0L 轉動 60 度。

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#極坐标系

由極點和射線構成極坐标系中點:

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#三角函數的性質

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#旋轉

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三角函數運算

  • cos(a b) = cc - ss
  • sin(a b) = cs sc
#向量的叉乘

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向量積也叫叉積,外積,它也是向量與向量的乘積,不過需要注意的是,它的結果是個向量。它的幾何意義是所得的向量與被乘向量所在平面垂直,方向由右手定則規定,大小是兩個被乘向量張成的平行四邊形的面積。

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向量積可以被定義為:

模長:(在這裡 θ 表示兩向量之間的夾角(共起點的前提下)(0°≤θ≤180°),它位于這兩個矢量所定義的平面上。)

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方向:a 向量與 b 向量的向量積的方向與這兩個向量所在平面垂直,且遵守右手定則。

也可以這樣定義(等效):向量積 |c|=|a×b|=|a||b|sin<a,b> 即 c 的長度在數值上等于以 a,b,夾角為 θ 組成的平行四邊形的面積。而 c 的方向垂直于 a 與 b 所決定的平面,c 的指向按右手定則從 a 轉向 b 來确定。

計算矢量叉積是與直線和線段相關算法的核心部分。設矢量 P = (x1, y1),Q = (x2, y2),則矢量叉積定義為由(0, 0)、P1、P2 和 P1P2 所組成的平行四邊形的帶符号的面積, 即:P × Q = x1.y2 - y2.y1,其結果是一個标量,顯然有性質 P × Q = -(Q × P) 和 P × (-Q) = -(P × Q)

向量外積的幾何意義:

  • 在三維幾何中,向量 P 和向量 Q 的外積結果是一個向量,有個更通俗易懂的叫法是法向量,該向量垂直于 P 和 Q 向量構成的平面。
  • 在 3D 圖像學中,外積的概念非常有用,可以通過兩個向量的外積,生成第三個垂直于 P,Q 的法向量,從而構建 X、Y、Z 坐标系。
  • 在二維空間中,外積還有另外一個幾何意義就是:|a×b| 在數值上等于由向量 P 和向量 Q 構成的平行四邊形的面積。
#2d 叉乘符号的含義

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#3d 向量叉乘

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#3D 叉乘的意義
  • 向量叉乘指向向量 a 和 b 的垂直方向
  • 值等于 a 和 b 形成的平行四邊形面積
  • a、b 和 c 的叉乘是 a、b、c 形成的平行六面體體積
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