小学社会311570 views
いろは3025218 views
中学英語813624 views
高校化学2933198 views
Computer370048 views
高校物理162509 views
高校国語790013 views
数学講師2913151 views
中学社会670081 views
小学理科721729 views
Help
Tools

English

正方形と正六角形の内積は「なす角が 30 度の倍数」で決まる

1 辺が の正六角形 で、 です。

、、なす角は 。定義に入れると になります。

正六角形は 6 つの正三角形に分かれるので、辺と対角線の長さも、頂点どうしのなす角も、すべて 度きざみで決まる[1]。この規則を先に押さえると、内積はどれも暗算で出せます。

長さと角を先に決める

1 辺 の正六角形では、中心から各頂点までの距離も です[1]。中心と 1 辺でできる三角形が正三角形になるため。

対角線は 2 種類あります。1 つ飛ばしの が 、向かい合う が 。

頂点 から見ると、、、、、 の方向は 度ずつ開いていきます。、、、。

長さと角のこの表さえ作れば、あとは定義に入れるだけ。

AB の長さ
AC の長さ
AD の長さ
角 BAC
角 BAD
角 BAE
角 BAF

例:AB と AC の内積

、、なす角 です。

長さと角が分かっていれば、掛け算 2 回で終わります。

例:AB と AD の内積

、なす角は 。 です。

は最も長い対角線ですが、角も開くので内積はかえって小さくなる。長さだけでは大小が決まりません。

例:AB と AE の内積

なす角が なので、。内積は です。

と は垂直になります。正六角形の中に直角が隠れている。

例:AB と AF の内積

、なす角 で 。

です。角が鈍角になると内積は負になる。

例:始点がそろっていないとき

を求めます。始点が と で違いますが、内積は向きと長さだけで決まる。

を に平行移動すると、 から 開いた向きになります。正六角形の外角が だからです。

になります。始点をそろえてから角を測る、という手順を挟みます。

例:向かい合う辺どうし

と は、向きがちょうど逆です。正六角形の向かい合う辺は平行で、向きが反対になる。

なので、内積は です。

と なら、なす角は で になります。

2 つの辺を基準にして表す

、 とおくと、 から出る他のベクトルはすべて と で書けます。

で、なす角は 。よって です。

になります。
になります。
になります。

が と書けるのは、 が中心へ向かうベクトルだからです。

例:基準ベクトルで内積を計算する

を と で計算します。 でした。

角を測って出した と一致します。長さと角から直接出す方法と、基準ベクトルに分解する方法の 2 通りが使える。

図が複雑になるほど、分解して展開するほうが確実になります。

正方形のとき

1 辺 の正方形 では、対角線が で、なす角は 度きざみです。

。 で垂直です。

例:正方形の対角線どうしの内積

と の内積を求めます。、 とおく。

、 です。展開すると になります[3]。

なので になります。正方形の対角線が直交することが、内積 1 つで示せる。

例:正三角形のとき

1 辺 の正三角形 では、 です。

になります。

正六角形の と符号が逆なのは、正六角形の内角が で鈍角だからです。

2 通りの求め方

長さと角から出す

図から長さと角を読んで定義に入れる。頂点から出るベクトルどうしなら速い

基準ベクトルに分解する

と で表してから展開する。始点がばらばらでも確実に進む

始点がそろっていて角がすぐ読めるなら前者、そうでなければ後者。図の複雑さで選びます。

1 辺が の正六角形 で、 はいくつですか。

__RESULT__

で、 です。 になります。 を と見ると 、 を忘れると が出ます。

よくある誤り

正六角形の 1 辺と中心までの距離を別の値だと思う。どちらも等しくなります。
の長さを とする。 です。 は の長さになります。
始点がずれたまま角を測る。平行移動してからそろえます。
鈍角のとき符号を落とす。 は負です。
内角の と中心から見た を混ぜる。別の角です。
正方形の対角線の長さを とする。1 辺 なら です。
基準ベクトルの内積を と思い込む。正六角形では になります。

長さと角の表を先に作る。図形が決まった時点で、内積の値はもう決まっています。

参考文献

[1] が正六角形の内角と対角線の長さ、[2] が内積の定義となす角の関係、[3] が展開の規則です。

Hexagon - Wikipedia(英語)
Dot product - Wikipedia(英語)
Skalarprodukt - Wikipedia(ドイツ語)
1 辺 $1$ の正六角形 $ABCDEF$ で $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=\dfrac{3}{2}$ です。$1$ 辺と外接円の半径が等しく、6 つの正三角形に分かれるので、対角線は $\sqrt{3}$ と $2$ の 2 種類しかありません。頂点 $A$ から見た向きは $30$ 度ずつ開き、$\angle BAE$ はちょうど直角。長さと角の表を先に作れば、内積はどれも掛け算 2 回で出ます。始点がそろわない $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{BC}$ は平行移動してから、図が込み入ったら $\overrightarrow{AB}$ と $\overrightarrow{AF}$ を基準に分解して展開。正方形と正三角形の場合、対角線どうしが直交する理由まで扱いました。