세 곱이 필요한 모든 것을 합니다: 내적(정렬을 재는 스칼라, A·B = |A||B|cosθ), 외적(두 입력에 수직인 벡터, 크기 |A||B|sinθ), 그리고 사영 연산자(A를 고른 방향에 내놓은 성분). 벡터를 하나보다 많이 쓰는 모든 물리 공식의 장부가 이것들입니다.
크기와 2D 표준 예시
3-4-5 직각삼각형이 2D 벡터의 표준 예시입니다. A = (3, 4)를 취하면 크기는 |A| = √(3² + 4²) = √25 = 5이고, +x축으로부터의 방향은 arctan(4/3) ≈ 53.13°입니다. 모든 2D 벡터는 그 방향을 가리키는 단위벡터에 크기를 곱한 것으로 쓸 수 있습니다. A = 5·(0.6, 0.8). 분해 패널은 크기와 각도 θ, φ를 받아 구면 관례(x = r cosθ cosφ, y = r cosθ sinφ, z = r sinθ) 또는 평면 관례(φ 무시, x = r cosθ, y = r sinθ)로 x, y, z 성분을 돌려줍니다. r = 10, θ = 36.87°를 2D 모드에서 넣으면 (8, 6, 0)이 나옵니다 — 원래 3-4-5에서 스케일된 6-8-10 직각삼각형입니다. 이런 정수 삼각형을 알아보는 것이 삼각법을 부르지 않고 어느 성분이 수직인지 짚는 지름길입니다.
내적 — 정렬의 스칼라 측도
두 벡터 A와 B의 내적 A·B = AxBx + AyBy (+ AzBz)는 |A||B|cosθ와 같은 스칼라입니다 — 크기의 곱에 그 사이 각도의 코사인을 곱한 것. 기본 2D 샘플(A = (3, 4), B = (5, 2))은 A·B = 15 + 8 = 23, 크기 |A| = 5와 |B| = √29 ≈ 5.385, 그리고 cosθ = 23/(5 × 5.385) = 23/26.93 ≈ 0.854를 주므로 θ ≈ 31.33°입니다. 세 부호 결과가 해석 전부를 나릅니다. cosθ > 0이면 각이 예각이고 벡터들이 대체로 같은 쪽을 가리키고, cosθ < 0이면 둔각이고 서로 반대이며, cosθ = 0이면 수직입니다. 내적은 힘 F가 변위 d를 따라 한 일(W = F·d)이고, 코사인이 운동 방향을 따라 미는 것보다 비스듬히 미는 게 덜 효과적인 이유입니다.
외적 — 두 입력에 모두 수직인 벡터
외적은 결과가 두 입력에 모두 수직인 벡터인 3D 전용 연산입니다. 크기는 |A||B|sinθ이고 방향은 오른손 법칙이 정합니다(집게손가락을 A에, 가운뎃손가락을 B에 대면 엄지가 A×B). 성분으로는 A×B = (AyBz − AzBy, AzBx − AxBz, AxBy − AyBx)입니다. 기본 3D 샘플(A = (2, 3, 4), B = (5, 1, 2))은 A×B = (3·2 − 4·1, 4·5 − 2·2, 2·1 − 3·5) = (2, 16, −13)을 줍니다. 외적은 반대칭입니다. B×A = −A×B이므로 입력을 바꾸면 부호가 뒤집힙니다. 물리에 나타나는 세 장소. 토크 τ = r×F(회전력), 각운동량 L = r×p(궤도 각운동량), 그리고 움직이는 전하에 작용하는 자기력 F = qv×B. 크기 |A×B|는 두 벡터가 이루는 평행사변형의 넓이이므로, 외적 결과가 언제나 넓이나 회전을 기술하는 이유입니다. 토크는 일하는 외적입니다. τ = r×F의 크기는 |r||F|sinθ이므로 축을 통해 밀면 0이고 렌치가 길수록 더 많습니다.
벡터 사이의 각도
내적과 크기가 있으면 각도는 아크코사인 한 번입니다. cosθ = A·B/(|A||B|), θ는 [0, π]. 크기 대비 작은 내적은 거의 수직인 벡터를 뜻하고, 내적이 |A||B|와 같으면 같은 쪽을 가리키고(θ = 0), −|A||B|와 같으면 반대입니다(θ = π). 공식은 2D와 3D에서 같으며 — 성분 합의 차원만 다릅니다. 기하적으로 내적은 A를 B에(또는 B를 A에) 사영한 뒤 상대의 크기를 곱한 것으로 볼 수 있어, 코사인이 문자 그대로 사영 비율입니다.
단위벡터와 사영
단위벡터는 크기가 1이고 원래 벡터와 같은 방향을 가리키는 벡터입니다: u = A / |A|. 단위벡터는 "순수한 방향"을 나타내는 방법입니다. 데카르트 좌표의 i, j, k 기저벡터가 대표적인 예이며, 3차원의 모든 방향은 이들의 선형결합으로 쓸 수 있습니다. A를 B에 사영한 것(A의 B 방향 성분)은 projBA = (A·B / |B|²) · B입니다 — A 중 B를 따라 놓인 부분입니다. 스칼라 버전(A·B/|B|)은 그 사영의 부호 있는 길이입니다. 이것이 내적을 일의 공식으로 만드는 이유입니다: 힘 방향을 따른 변위 성분에 힘의 크기를 곱한 것이 한 일입니다.
오해
- 내적은 벡터의 곱셈이다. 스칼라곱입니다 — 벡터가 아니라 수를 만듭니다. 마찬가지로 외적은 벡터곱입니다. "곱셈"이라 부르면 출력이 완전히 다르다는 것이 숨겨집니다.
- 외적은 스칼라다. 2D에서 수직 성분을 때로 스칼라(행렬식 axby − aybx)라 부르지만, 3D에서 외적은 진짜 벡터입니다. 크기와 방향이 모두 물리적으로 의미 있습니다.
- 외적은 교환법칙이 성립한다. 반교환입니다. A×B = −B×A. 순서가 중요합니다 — 토크 r×F는 F×r과 반대 방향입니다.
- 벡터는 고정된 위치를 갖는다. 벡터는 자유입니다 — 바꾸지 않고 페이지 위를 미끄러뜨릴 수 있습니다. 고정된 것은 크기와 방향이며, 물리에서 위치에 묶인 벡터는 특정한 것들(위치 벡터, 한 점의 전기장)뿐입니다.
관련 도구: 토크·일·각운동량의 문맥은 역학, 외적이 각운동량을 만드는 방법은 회전 역학, 자기력 F = qv×B는 회로.