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内積の成分表示

📖 言葉で読む:ベクトルの内積 →

前に角度を使って計算した内積を、今度はベクトルの「成分」から求めてみよう。角度を測らなくても、かけて足すだけで出せるだろうか。

ab

前は内積を a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θa \cdot b = |a||b|\cos\theta で習ったね。今度は同じ内積を、この2つのベクトルの「成分」から計算してみよう。

これだけ思い出そう

「ベクトルの内積」で、内積を a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θa \cdot b = |a||b|\cos\theta と角度から求めたね。今回は同じ内積を、矢印の成分 (x,y)(x, y) だけを使って計算する方法をさぐるよ。

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    前は内積を a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θa \cdot b = |a||b|\cos\theta で習ったね。今度は同じ内積を、この2つのベクトルの「成分」から計算してみよう。

  2. 2

    原点から矢印の先までの進み方が成分だよ。aa は右に4・上に2で (4,2)(4, 2)、bb は右に1・上に3で (1,3)(1, 3) だね。

  3. 3

    内積は成分どうしをかけて足すだけ。a⋅b=4⋅1+2⋅3=4+6=10a \cdot b = 4\cdot1 + 2\cdot3 = 4 + 6 = 10 だよ。角度を測らなくても出せた!

    a⃗⋅b⃗=x1x2+y1y2=4⋅1+2⋅3=10\vec a\cdot\vec b = x_1x_2 + y_1y_2 = 4\cdot1 + 2\cdot3 = 10
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    この10、前のやり方 ∣a∣∣b∣cos⁡θ|a||b|\cos\theta で出しても実は同じ10になるんだ。ここの角 θ\theta はちょうど 45∘45^\circ だよ。

  5. 5

    成分が分かると面積もすぐ。a と b を2辺にする三角形 OAB は、たすきにかけて引いて半分。S=12∣4⋅3−1⋅2∣=5S=\frac12|4\cdot3-1\cdot2|=5 だよ。

    S=12 ∣x1y2−x2y1∣=12∣4⋅3−1⋅2∣=5S=\tfrac12\,|x_1 y_2 - x_2 y_1|=\tfrac12|4\cdot3-1\cdot2|=5
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    面積は 12∣a∣∣b∣sin⁡θ\frac12|a||b|\sin\theta でも書けたね。内積から cos⁡θ\cos\theta が分かれば sin⁡θ\sin\theta も決まる。だから下の式でも面積はやっぱり5。内積と面積はつながってるんだ。

    S=12∣a⃗∣2∣b⃗∣2−(a⃗⋅b⃗)2=1220⋅10−102=5S=\tfrac12\sqrt{|\vec a|^2|\vec b|^2-(\vec a\cdot\vec b)^2}=\tfrac12\sqrt{20\cdot10-10^2}=5
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    b を a を90°回した向き (−2, 4) に動かそう。すると a⋅b=4⋅(−2)+2⋅4=−8+8=0a \cdot b = 4\cdot(-2) + 2\cdot4 = -8 + 8 = 0 になるよ。

    a⃗⋅b⃗=4⋅(−2)+2⋅4=0\vec a\cdot\vec b = 4\cdot(-2) + 2\cdot4 = 0
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    成分の内積が0!前と同じで「a⋅b=0a \cdot b = 0 ⇔ 垂直」。垂直かどうかも、かけて足すだけで判定できるんだね。

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