Ristitulo eli vektoritulo on kolmiulotteisessa euklidisessa avaruudessa määritelty kahden vektorin välinen laskutoimitus, jonka merkkinä käytetään vinoristiä ×. Jos a ja b ovat kaksi erisuuntaista vektoria, niiden ristitulo a × b on vektori, joka on molempia vastaan kohtisuorassa ja näin ollen kohtisuorassa niiden määrittämään tasoon nähden. Ristitulolla on monia sovelluksia matematiikassa, fysiikassa, tekniikassa ja tietokoneohjelmoinnissa. Se on erotettava vektorien pistetulosta eli skalaaritulosta.
Jos vektorit ovat saman- tai vastakkaissuuntaisia, toisin sanoen ne eivät ole lineaarisesti riippumattomia, tai jompikumpi niistä on nollavektori, ristitulo on nollavektori. Muussa tapauksessa vektorien ristitulo on itseisarvoltaan (eli pituudeltaan) yhtä suuri kuin sen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina nämä vektorit ovat; erityisesti toistensa nähden kohtisuorien vektorien ristitulo on niiden pituuksien tulo. Ristitulo on antikommutatiivinen, toisin sanoen ), ja se noudattaa osittelulakia vektorien yhteenlaskun suhteen, toisin sanoen ). Avaruus varustettuna ristitulolla on algebra reaalilukujen kunnan yli. Se ei ole vaihdannainen eikä liitännäinen, mutta se on Lien algebra.
Pistetulon tavoin ristitulo riippuu euklidisen avaruuden metriikasta, mutta toisin kuin pistetulo, se riippuu myös avaruuden orientaatiosta eli kätisyydestä. Ristitulon käsitettä voidaan yleistää monin tavoin; se voidaan tehdä kätisyydestä riippumattomaksi tulkitsemalla tulos pseudovektoriksi, tai kuinka monessa ulottuvuudessa tahansa voidaan vektorien ulkoista tuloa käyttää niin, että tuloksena on bivektori tai 2-muoto. Käyttämällä orientaatiota ja metristä struktuuria aivan samoin kuin tavanomaisessa kolmiulotteisessa ristitulossa voidaan n ulottuvuudessa muodostaa vektorin tulo niin, että se on kohtisuorassa niitä kaikkia vastaan. Kuitenkin vain kolmessa tai seitsemässä ulottuvuudessa voidaan kahden vektorin ei-triviaali tulo määritellä niin, että tuloksena on vektori. Niistäkin vain kolmiulotteisessa avaruudessa ristitulo on yksikäsitteinen. thumb|right|Ristitulovektorien suunnat oikean käden säännön mukaisesti
Määritelmä right|thumb|Ristitulon suunnan määrittäminen oikean käden säännöllä. Vektorien a ja b ristitulo on määritelty vain kolmiulotteisessa avaruudessa, ja se merkitään . Fysiikassa käytetään joskus myös merkintää , mutta matematiikassa sitä vältetään käyttämästä, jottei se sekaantuisi ulkoiseen tuloon.
Ristitulo määritellään vektorina c, joka on kohtisuorassa sekä a:ta että b:tä vastaan ja jonka suunta määräytyy oikean käden säännön mukaan ja joka pituudeltaan on yhtä suuri kuin sen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina annetut vektorit ovat.
Ristitulo määritellään tällöin kaavalla
missä on vektorien a ja b välinen kulma niiden määrittämässä tasossa (näin ollen se on aina 0°:n ja 180°:n välillä), ja ovat vektorien a ja b pituudet ja n niiden määrittämää tasoa vastaan kohtisuorassa oleva yksikkövektori, jonka suunta määräytyy oikean käden säännön mukaan oheisen kuvan osoittamalla tavalla. Jos vektorit a ja b ovat saman- tai vastakkaissuuntaisia ( eli niiden välinen kulma on joko 0° tai 180°), seuraa määritelmästä, että niiden ristitulo on nollavektori 0.
left|thumb|Ristitulo (pystysuorassa, violetti) muuttuu, kun vektorien a (sininen) ja b (punainen) välinen kulma muuttuu. Ristitulo on aina molempia vastaan kohtisuorassa, ja se on nollavektori, kun vektorit ovat yhdensuuntaisia, ja saa suurimman arvonsa , kun ne ovat kohtisuorassa.
Sopimuksen mukaan vektorin n suunnan antaa oikean käden sääntö: jos oikean käden etusormi osoittaa vektorin a ja keskisormi vektorin b suuntaan, peukalo osoittaa vektorin n suuntaan oheisen kuvan mukaisesti. Tästä säännöstä seuraa, että ristitulo on antikommutatiivinen. Toisin sanoen, jos vektorit a ja b vaihdetaan keskenään, ristitulon suunta muuttuu vastakkaiseksi eli . Niinpä jos oikean käden asentoa muutetaan siten, että etusormi osoittaa vektorin b ja keskisormi vektorin a suuntaan, osoittaa peukalo väistämättä päinvastaiseen suuntaan kuin aikaisemmin.
Edellä esitetystä määritelmästä seuraa, että ristituloa käytettäessä koordinaatiston kätisyys on otettava huomioon. Jos poikkeuksellisesti käytetään vasenkätistä koordinaatistoa, vektorin n suunnan antaa vasemman käden sääntö ja se osoittaa päinvastaiseen suuntaan.
Tästä aiheutuu kuitenkin ongelma, sillä jos yksi mielivaltainen vertailujärjestelmä vaihdetaan toiseen, esimerkiksi peilauksessa, jolloin siirrytään oikeakätisestä vasenkätiseen koordinaattijärjestelmään, ristitulon n suunta muuttuu. Tämän ongelma selviää, kun ymmärretään, ettei kahden vektorin ristitulo ole aito vektori vaan pseudovektori, kuten jäljempänä tarkemmin selitetään.
Nimet upright=1.25|thumb|right|Sarrus’n säännön mukaan 3×3 -matriisin determinantti edellyttää matriisin lukujen kertolaskua leikkaavien lävistäjien suunnassa.
Vuonna 1881 Josiah Willard Gibbs ja hänestä riippumatta Oliver Heaviside, ottivat käyttöön sekä pistetulon että ristitulon käyttämällä edellisen merkkeinä pistettä, (), jälkimmäisen merkkinä vinoristiä ("x") ().
Vastaavia laskutoimituksia oli jo vuonna 1877 käyttänyt William Kingdon Clifford. Korostaakseen sitä, että toinen niistä antaa tuloksena skalaarin, toinen vektorin, hän antoi niille nimet skalaaritulo ja vektoritulo, joita edelleenkin yleisesti käytetään nimitysten pistetulo ja ristitulo ohella.
Siihen, että vektoritulon merkiksi valittiin vinoristi () ja sitä alettiin nimittää ristituloksi, vaikutti todennäköisesti se, että ristitulon jokaista skalaarista komponenttia laskettaessa kerrotaan keskenään a:n ja b:n ne komponentit, jotka eivät vastaa toisiaan. Sitä vastoin pistetuloa laskettaessa kerrotaan vektorien toisiaan vastaavat, yhdensuuntaiset komponentit. Kuten jäljempänä selitetään, ristitulo voidaan esittää tietynlaisen 3×3 -matriisin muodossa. Sarrus'n säännön mukaisesti tämä merkitsee, että matriisin lävistäjien suunnassa toisiaan seuraavat luvut kerrotaan keskenään.
Ristitulon laskeminen
Koordinaattimerkintä 300px|thumb|right|Standardit kantavektorit (i, j, k, joille käytetään myös merkintöjä e1, e2, e3) ja a:n vektorikomponentit (ax, ay, az, joille käytetään myös merkintöjä a1, a2, a3) Kolmiulotteisen avaruuden standardien kantavektorien i, j ja k ristitulot ovat oikeakätisessä koordinaatistossa seuraavat:
mistä ristitulon antikommutatiivisuuden vuoksi seuraa:
Ristitulon määritelmästä seuraa myös, että (nollavektori).
Voidaan osoittaa, että ristitulo noudattaa osittelulakia ja on lineaarinen, mikä tosin ei aivan mutkattomasti seuraa sen määritelmästä. Näiden ominaisuuksiensa sekä edellä lueteltujen kantavektorien ristitulojen avulla voidaan laskea minkä tahansa kahden vektorin u ja v ristitulo. Jokainen vektori voidaan nimittäin esittää kolmen kohtisuoran komponentin summana, joista kukin on yhden kantavektorin suuntainen:
Ristitulo voidaan näin ollen laskea osittelulain avulla:
Tämä voidaan tulkita niin, että hajotetaan yhdeksän yksinkertaisemman ristitulon summaksi, joista jokaisen tekijät ovat kantavektorien i, j ja k suuntaisia. Jokainen näistä yhdeksästä ristitulosta on helppo käsitellä, sillä ne ovat joko toistensa suuntaisia tai toisiinsa nähden kohtisuorassa. Tästä hajotelmasta saadaan edellä esitettyjen yhtälöiden avulla ja yhdistämällä samanmuotoiset termit:
mikä merkitsee, että tuloksena saatavan vektorin kolme skalaarikomponenttia s = s1i + s2j + s3k = ovat
Sarakevektorien avulla sama tulos voidaan ilmaista myös seuraavasti:
Matriisimerkintä thumb|Sarrus'n sääntö vektorien u ja v ristitulon määrittämiseksi Ristitulo voidaan muodollisestiTässä "muodollisesti" merkitsee, että tämä merkintä on determinantin muotoinen, mutta ei tarkkaan ottaen ole determinantin määritelmän mukainen; kyseessä on lähinnä ristitulon kehitelmän muistamiseksi laadittu muistisääntö. esittää myös determinanttina:
Tämä determinantti voidaan laskea Sarrus'n säännön tai kofaktorikehitelmän avulla. Sarrus'n säännön avulla saadaan
Jos sen sijaan käytetään kofaktorikehitelmää ensimmäiselle riville, saadaan:
mistä ristitulovektorin komponentit saadaan suoraan.
Ominaisuuksia
Geometrinen merkitys right|thumb|Kuvio 1. Suunnikkaan pinta-ala ristitulon itseisarvona right|pienoiskuva|Kuvio 2. Kolmen vektorin määrittämä suuntaissärmiö
Kahden vektorin ristitulon itseisarvo on yhtä suuri kuin sellaisen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina nämä vektorit ovat (katso kuvio 1):
Sellaisen suuntaissärmiön tilavuus V, jonka särmät ovat a, b ja c, voidaan laskea käyttämällä ristitulon ja pistetulon yhdistelmää, jota sanotaan skalaarikolmituloksi (katso kuvio 2):
Koska skalaarikolmitulo voi olla myös negatiivinen, suorakulmaisen särmiön tilavuus on skalaarikolmitulon itseisarvo. Esimerkiksi
Koska ristitulon itseisarvo on verrannollinen vektorien välisen kulman siniin, ristituloa voidaan käyttää kohtisuoruuden mittana samaan tapaan kuin pistetulo on yhdensuuntaisuuden mitta. Kahden yksikkövektorin ristitulon itseisarvo on 1, jos ja vain jos ne ovat kohtisuorassa, ja 0, jos ja vain jos ne ovat saman- tai vastakkaissuuntaisia. Samojen vektorien pistetulon laita on tässä suhteessa täsmälleen päinvastoin.
Vektorien komponenttiesityksen avulla voidaan myös määrittää niiden välinen kulma. Niiden pistetulo antaa tämän kulman kosinin, joka voi olla positiivinen tai negatiivinen, kun taas ristitulon itseisarvo antaa saman kulman sinin, joka on aina positiivinen.
Algebralliset ominaisuudet
350px|thumb|Ristitulon kertominen skalaarilla. Vasemmalla: Vektori b hajotettuna a:n suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin. Oikealla Kohtisuoran komponentin kertominen positiivisella reaaliluvulla r (jos se on negatiivinen, b:n ja ristitulon suunnat ovat päinvastaiset).
350px|thumb|Ristitulon osittelulaki vektorien yhteenlaskun suhteen. Vasemmalla: Vektorit b ja c hajotettuna a:n suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin. Oikealla: Yhdensuuntaiset komponentit häviävät ristitulossa, vain a:ta vastaan kohtisuorat komponentit jäävät jäljelle.
thumb|350px|Kolmesta vektorista a, b ja c saadut kaksi yhdistettyä ristituloa eivät ole yhtä suuret. Kummassakin tapauksessa kaksi vektoria määrittää tason, kolmas on tason ulkopuolella ja voidaan hajottaa tason suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin. Nämä komponentit voidaan muodostaa vektorin projektion ja rejektion avulla. Kolmitulo on tasossa ja kiertyy kuvan osoittamalla tavalla.
Jos kahden vektorin ristitulo on nollavektori (toisin sanoen ), joko ainakin toinen vektoreista on nollavektori, ( ja/tai ), tai vektorit ovat saman- tai vastakkaissuuntaisia (), jolloin niiden välisen kulman sini on nolla ( = 0° tai = 180° ja ). Vektorin ristitulo itsensä kanssa on nollavektori, toisin sanoen . Ristitulo on antikommutatiivinen:
Ristitulo noudattaa osittelulakia yhteenlaskun suhteen:
Jos ristitulon jompikumpi tekijä kerrotaan skalaarilla, myös ristitulon arvo tulee kerrotuksi samalla skalaarilla:
Ristitulo ei ole liitännäinen, mutta sille pätee Jacobin identiteetti:
Osoittelulaki, lineaarisuus ja Jacobin identiteetti osoittavat, että vektoriavaruus varustettuna vektorien yhteenlaskulla ja ristitulolla on Lien algebra, tarkemmin sanottuna kolmiulotteisen reaalisen ortogonaalisen ryhmän Lien algebra SO(3).
Ristitulo ei noudata supistussääntöä: Vaikka a ei olisi nollavektori, yhtälöstä ei seuraa, että , vaan ainoastaan että:
Ristitulon määritelmästä seuraa, että tällöin vektorien a ja välisen kulman on oltava nolla eli niiden on oltava yhdensuuntaiset. Toisin sanoen ne liittyvät toisiinsa skaalaustekijällä t, eli
jollakin skalaariarvolla t.
Jos ja jollakin vektorilla a, joka ei ole nollavektori, on , sillä
and
eli on sekä vektorin a suuntainen että sitä vastaan kohtisuorassa, mikä on mahdollista vain, jos eli b ja c ovat identtiset.
Geometrisen määritelmän perusteella ristitulo on invariantti rotaatiossa akselin ympäri. Kaavana: