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ベクトルの終点の存在範囲、係数の和と符号で決まる動ける場所

で 、、 とすると、点 は線分 の上だけを動きます。

条件を にゆるめると、 は三角形 を塗りつぶす。 かつ に替えれば、今度は平行四辺形になります。

係数の和と符号だけで、動ける範囲が決まります。図形は係数の条件から読みとれる。

係数の和が 1 なら直線の上

と置きます。 をみたす点 は、直線 の上にある。

を代入すると で、2 点 、 を通る直線のベクトル方程式そのものになります。

ここに と を加えると、動ける場所が線分 に縮む。

例:和が 1 でも符号しだいで外へ出る

、 なら和は で、どちらも 以上。 は線分 を に内分する点です。

、 でも和は 。ただし が負なので、 は より外側に来ます。

和だけでは直線までしか決まりません。線分に絞るには符号の条件がいる。

和が 1 以下なら三角形

、、 とすると、 は三角形 の内部と周を動きます。

と置くと、 の範囲で を固定するごとに線分が 1 つできる。その線分を から まで積み重ねた形が三角形です。

では点 ただ 1 つ、 では線分 。三角形を線分の束として見られます。

例:三角形の頂点にあたる係数

なら で、 は に重なる。

なら 、 なら です。3 つの頂点が、係数の 3 通りの端に対応します。

なら和は で より小さいから、 は三角形の内部にある。

例:符号の条件を落とすとどうなるか

だけを課し、符号を自由にすると範囲は大きく変わります。

、 でも和は で条件をみたしますが、 は三角形から遠く離れた場所に来る。

が言うのは、直線 より 側にあるという 1 点です。三角形に閉じこめているのは と のほう。

0 以上 1 以下を 2 つ並べると平行四辺形

かつ とすると、 は平行四辺形 の内部と周を動きます。ここで は をみたす点。

と に上限と下限が別々に付いているため、和には制限がかかりません。 を固定して だけ動かすと線分が 1 つでき、その線分を の向きへ平行移動させた跡が平行四辺形になる。

例:平行四辺形の 4 つの角

が 、、、 のとき、 はそれぞれ 、、、 に来ます。

に固定して を から へ動かせば、 は から へ移る。この線分が辺 です。

三角形のときと違い、 と はたがいを縛りません。片方を決めても、もう片方は から まで自由に動けます。

和が 1 でないときは置きかえる

係数の和が でない条件は、和が になるように文字を置きかえます。

なら と置けば 。このとき となり、 を新しい基準として読める。

係数の和が 1 になるように文字を置きかえる

置きかえたぶん基準ベクトルを伸び縮みさせる

新しい端点で線分や三角形を読む

例:s + 2t = 1 の存在範囲

、、 とします。 と置けば かつ 。

なので、端点は と の指す点 です。

は線分 の中点。答えは線分 になります。

例:2s + 3t = 1 の存在範囲

、、 とする。、 と置くと になります。

端点は線分 の中点と、線分 を に内分する点。その 2 点を結ぶ線分が答えです。

係数の分母が、そのまま基準ベクトルを縮める割合になっている。

例:s + t = 2 の存在範囲

、、 の場合。両辺を で割って とします。

、 と置くと 。

端点は と をそれぞれ 倍に伸ばした点です。和が より大きいと外へ、小さいと内へ寄る。

和が範囲で与えられたとき

、、 のように和が幅を持つ場合、範囲は帯になります。

を から まで動かすと、線分が平行に並んでいきます。内側の境界が線分 、外側の境界が と の端点を結ぶ線分。

大きいほうの三角形から、小さいほうの三角形の内部を抜いた形になります。

例:帯の内と外を確かめる

なら和は で、 は線分 の中点。帯の内側の境界に乗ります。

なら和は で外側の境界、 なら和は なので帯には入りません。

境界を含むかどうかは不等号で決まる。 なら境界を含み、 なら含まないので、答えの図に実線と破線を書き分けます。

例:係数を面積比として読む

、、 のとき、 にあたる係数を と置くと になります。

このとき 、、 は三角形を 3 つに切った面積の比を表す。 が 、 が 、 が にあたります。

、 なら で、3 つの面積の比は 。

係数を見るだけで、点が三角形のどのあたりにあるかが決まります。 に近いほど が大きくなる。

和が 1 に等しい

点は直線 に乗る。符号の条件を足すと線分に縮む

和が 1 以下

点は三角形 を塗る。 と が三角形に閉じこめている

で 、、 のとき、 が動く範囲はどれですか。

  • 線分
  • と、 を に内分する点を結ぶ線分
  • 三角形
  • 線分
__RESULT__

と置くと で、 になります。端点は と の指す点で、後者は を に内分する点です。

まちがえやすいところ

だけで三角形になると読むのが、いちばん多いとり違えです。符号の条件がなければ、点は平面のどこへでも行けます。

和が でない条件を、そのまま線分の式として使う形も目につきます。 は線分 ではなく、端点が 側へ寄った別の線分。

和が「どの線分に乗るか」を決め、符号が「どこまで行けるか」を決めます。この 2 つを分けて読めば、範囲は係数から決まる。

$\overrightarrow{OP}=s\vec{a}+t\vec{b}$ で $s+t=1$ なら点は直線 $AB$ に乗り、$s\geq 0$ と $t\geq 0$ を足すと線分 $AB$ に縮みます。$s+t\leq 1$ に替えれば三角形 $OAB$、$0\leq s\leq 1$ かつ $0\leq t\leq 1$ なら平行四辺形。和が「どの線分に乗るか」を決め、符号が「どこまで行けるか」を決めます。$s+2t=1$ のように和が $1$ でないときは $t'=2t$ と置きかえ、そのぶん基準ベクトルを半分に縮める。$1\leq s+t\leq 2$ の帯、係数と面積比の対応まで。