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空間ベクトルの内積と 2 直線のなす角(成分から cos の値へ)

と の内積は です。成分の積を足し合わせるところは平面と同じで、項が 1 つ増えた形。

なす角も、内積と長さから同じ式で求まります。

空間ベクトルの内積

、 の内積は、成分の積の和で決まります。

平面での に、第 3 成分の積 が加わった形。なす角 との関係も平面と変わりません。

大きさのほうも、成分の 2 乗の和の平方根です。

なす角の求め方

内積の定義式を について解くと、成分だけで書けます。

計算の手順は平面と同じで、成分が 3 つに増えた形。

内積を成分で計算する

2 つのベクトルの大きさを求める

cos の式に入れて角を決める

例:2 つのベクトルのなす角

、 のなす角 を求めます。

内積は 。

大きさはそれぞれ 、 です。

は有名角の値ではないため、答えは の形のままにします。値が正なので、 が鋭角であることは読める。

空間での垂直と平行

平面と同じく、内積が なら垂直、一方が他方の実数倍なら平行です。

垂直の条件

平行の条件

、つまり

平面では平行の判定に を使いました。空間ではこの形が 2 つ必要になるので、成分の比がそろうかどうかで見るほうが速い。

例:垂直になる成分を求める

と が垂直になる を求める。

垂直の条件は です。

検算すると で、たしかに垂直になりました。

2 直線のなす角

空間の 2 直線のなす角は、それぞれの方向ベクトルのなす角として求めます。ただし直線には向きがないため、角は 以上 以下でとる。

ベクトルのなす角は から まで動きます。 を超えたときは から引く。計算では の絶対値をとれば済みます。

と のなす角が なら ですが、直線のなす角は です。

なので、絶対値をとるだけで鋭角の側に移る。

例:方向ベクトルから 2 直線のなす角を求める

の方向ベクトルが 、 の方向ベクトルが とします。

内積は 。大きさはどちらも です。

ベクトルのなす角は ですが、直線のなす角は 以下でとるので 。

はじめから として、 と求めても同じです。

例:座標で与えられた 2 直線のなす角

、 を通る直線と、、 を通る直線のなす角を求めます。

方向ベクトルは と です。

内積は 。大きさはどちらも 、 になります。

内積が正なのでベクトルのなす角は鋭角で、絶対値をとっても値は変わりません。

例:平行かどうかを比で見る

と が平行かを調べる。

成分の比は で、3 つともそろっています。

なので平行です。負の実数倍なので、向きは逆になります。

と のなす角 について、 の値はどれですか。

__RESULT__

内積は です。内積が なので 、つまり で 2 つのベクトルは垂直になります。

まちがえやすいところ

第 3 成分の符号を落とす形が、いちばん多い誤りです。平面にはなかった項なので、 を書いてから足すと数が合いやすくなる。

2 直線のなす角では、絶対値のつけ忘れが目につきます。直線には向きがないため、 のような鈍角は答えになりません。

平行の判定では、成分の比を 3 つともそろえます。2 つだけ見て決めると、 成分がずれた組を平行と読んでしまう。

内積は成分の積を足すだけ、なす角はそれを長さの積で割るだけ。項が 1 つ増えても、手順は平面のままです。

$\vec{a}=(1,\ 2,\ 2)$ と $\vec{b}=(2,\ -1,\ 2)$ の内積は $4$、長さはどちらも $3$ なので $\cos\theta=\dfrac{4}{9}$ です。成分の積を足すところは平面と同じで、項が 1 つ増えた形。空間の 2 直線のなす角は方向ベクトルのなす角として求めますが、直線に向きがないぶん $0^\circ$ から $90^\circ$ でとるため、$\cos$ に絶対値を付けます。$120^\circ$ が $60^\circ$ に移るのはそこ。垂直になる成分を求める型、座標で与えられた 2 直線、成分の比で平行を見る手順まで。