ベクトルの大きさの 2 乗を内積に直して展開すると計算はぐっと楽になる
、、 のとき、 です。
大きさのまま足し算はできませんが、2 乗すると内積の計算になります。 と、文字式の とまったく同じ形で展開できる。
大きさが出てきたら 2 乗する。ベクトルの計算はここから始まります[2]。
大きさの 2 乗は自分との内積
ベクトルの大きさは、自分自身との内積の平方根です[1,2]。
内積の定義 からも確かめられます。 なので になる。
この 1 行があるので、大きさの 2 乗は内積の言葉に翻訳できます。逆に内積の計算結果は大きさに戻せる。
展開の規則
内積には、文字式の掛け算と同じ規則が成り立ちます[1,3]。
3 つがそろっているので、 を と同じ手順で展開できます。
ただし内積の答えは実数であって、ベクトルではありません。 に を内積することはできない。
例:大きさの 2 乗を展開する
を展開します。まず内積に直す。
と同じ形です。真ん中の項が内積になっているところだけが違う。
例:引き算のとき
も同じ手順で展開できます[2]。
真ん中の符号が変わるだけ。、、 なら で、 です。
例:数を入れて確かめる
、、 で を求めます。
。大きさは 以上なので です。
2 乗した値が答えではありません。最後に平方根をとるところまでが 1 つの手順になる。
例:大きさから内積を出す
、、 のとき、 を求めます。
展開の式に入れると 。移項して です。
になります。与えられた大きさが 3 つあれば、内積は逆算で出せる。
例:なす角を求める
いまの と のなす角 を出します。定義から 。
なので です。
、、 の組なら で になります。

例:積の形を展開する
を展開します。分配の規則を 4 回使う。
と は同じものなので、 とまとめられます。
、、 を入れると です。
例:係数が付いた大きさ
を展開します。係数は 2 乗されて外に出る。
真ん中の項は で、符号は負。 となり、 です。
を 2 倍し忘れて とする誤りが多いところ。 の展開と同じだと思えば間違えにくくなります。
中線定理が出てくる
と を足すと、内積の項が消えます[4]。
平行四辺形の法則と呼ばれる等式です。2 本の対角線の 2 乗の和が、4 辺の 2 乗の和に等しいことを表しています。
で、右辺は 。さきほどの数でも合っています。
例:中線定理として読む
三角形 で辺 の中点を とします。、 とおくと 。
、 です。足すと内積が消えます。
図形の定理が、内積の項が打ち消し合うという計算 1 つで出てきました。

例:垂直条件を大きさで書く
が成り立つのは、どんなときでしょうか。
両辺を 2 乗して展開すると です。
なので 。つまり と が垂直なときに限られます。
平行四辺形の 2 本の対角線が等しいのは長方形のとき、という事実に対応する。
例:菱形の対角線は直交する
のとき、 を計算します。
展開すると で、これは 。2 本の対角線の内積が になります。
4 辺の長さが等しい平行四辺形が菱形なので、菱形の対角線は直交する。展開 1 回で証明が終わります。
例:3 つのベクトルが出てくるとき
も同じ規則で展開できます。
の展開と同じ形。組み合わせの数だけ内積の項が出てきます。
という条件が付くと左辺が になり、3 つの内積の和が決まる。この形は正三角形や重心の問題でよく出ます。
大きさと内積の行き来
2 乗して展開し、内積を未知数として解く
展開の式に代入し、最後に平方根をとって大きさに戻す
どちらの向きにも進めるので、問題文で与えられている量と問われている量をつないで、経路を先に決めます。
、、 のとき、 はいくつですか。
よくある誤り
大きさが出たら 2 乗する。この 1 手で、ベクトルの計算は文字式の展開に変わります。
参考文献
[1] が内積の交換・分配・実数倍の規則、[2] が大きさと内積の関係および の展開、[3] が双線形性の整理、[4] が平行四辺形の法則です。










∣a−b∣2=∣a∣2−2a⋅b+∣b∣2 に代入すると 3=1−2a⋅b+4 です。移項して 2a⋅b=2 なので a⋅b=1 になります。真ん中の項の符号をとり違えると −1 が出ます。