小学社会310495 views
高校倫理1440172 views
いろは3011036 views
中学英語811754 views
世界の国564562 views
りんご209693 views
MathPython497416 views
雑学1473627 views
ヒストリア290629 views
高校化学2924523 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

大きさの 2 乗を計算するだけ……ベクトルによる等式と不等式の証明

中線定理 は、 を展開するだけで出ます[1]

図に補助線を引いたり、合同な三角形を探したりする必要はありません。長さを 2 乗して内積に直すと、余分な項が打ち消し合う。

不等式も同じ手つきで進みます。 は、両辺を 2 乗して差をとると に落ちる[2]

証明の型は 1 つ

図形の等式を証明するときは、始点を 1 つ決めて、出てくる長さをすべて位置ベクトルで書き直します。

長さは 2 乗して内積に直す。あとは展開して、左辺と右辺が同じ式になることを見るだけ[3]

始点を決めて、各点を位置ベクトルで表す

長さを 2 乗して内積に直す

展開して左辺と右辺を見比べる

始点の選び方で計算量が変わります。中点や重心のように、対称性のある点を始点にとると項が減る。

例:中線定理

三角形 で辺 の中点を とします。 を始点にとり、 とおく。

は中点なので です。ここが計算を軽くする鍵になります。

なので、これがそのまま中線定理です。内積の項が符号違いで消えています。

例:平行四辺形の 4 辺と対角線

平行四辺形の 4 辺の 2 乗の和は、2 本の対角線の 2 乗の和に等しくなります[1]

隣り合う 2 辺を とすると、対角線は です。

右辺は 4 辺の 2 乗の和と同じ。中線定理とまったく同じ計算で、見え方だけが違います。

例:菱形の対角線が直交する

4 辺が等しい平行四辺形では です。対角線どうしの内積を計算します。

になる。

内積が なので 2 本の対角線は垂直です。等式の証明と垂直の証明は、同じ展開で片づきます。

例:中点連結定理

三角形 で、辺 の中点を 、辺 の中点を とします。 を始点にとる。

です。引き算します。

の定数倍なので平行、係数が なので長さは半分。平行と長さの両方が 1 行で出ます。

この証明では 2 乗すら使いません。長さと向きの両方が要る主張では、ベクトルのまま比べるほうが速い。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

不等式は 2 乗の差を見る

不等式では、両辺とも 以上であることを先に確かめます。そのうえで 2 乗して差をとる。

のとき、 は同じ意味になります。大きさは必ず 以上なので、この言いかえがいつでも使える。

差が 以上であることを示せば証明が終わります。等号が成り立つ条件も、差が になる場合として同時に出る。

例:三角不等式

を示します[2]。右辺の 2 乗から左辺の 2 乗を引く。

なので、。差は 以上になります。

三角形の 2 辺の和が残りの 1 辺より長い、という事実がこの形です。

例:等号が成り立つとき

差が になるのは 、つまり のときです。

なので、 が同じ向き。)と書ける場合になります[2]

平行でも向きが逆なら等号は成り立ちません。「平行なとき」ではなく「同じ向きのとき」と書きます。

どちらかが のときも等号が成り立つ。答案では、この場合を別に断るか、 の形にまとめます。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

例:引き算の形の不等式

を示します。 を分けて書くのがこつ。

とみて、三角不等式を当てます。 です。

を移項すると 。すでに示した不等式を使い回す形になります。

左辺が負になる場合もありますが、右辺は 以上なので不等式は成り立つ。両辺を 2 乗する道は、ここでは使えません。

コーシー・シュワルツの不等式

内積の絶対値は、大きさの積を超えません[2]

で、 だから、というのがいちばん短い説明になります。

等号は のとき、つまり が平行なとき。三角不等式のときと違い、向きが逆でも等号が成り立ちます。

例:成分で書き直す

を入れると、次の形になります。

文字式だけを見ると証明の見当がつきにくい不等式ですが、ベクトルで読むと にすぎません。

なら、左辺は 、右辺は 。たしかに成り立っています。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

例:等式と不等式を組み合わせる

で、 のとき、 を求めます。

平行四辺形の法則から

なので です。展開の等式を使うと、内積を経由せずに答えが出ます。

三角不等式の側から見ると はこの範囲に収まっており、条件に矛盾がないことも確かめられる。

等式と不等式の違い

等式の証明

展開して両辺が一致することを見る。始点の選び方で計算量が変わる

不等式の証明

差をとって 以上を示す。等号が成り立つ条件も同時に書く

不等式では、どこで等号が成り立つかまで書いて答案が完成します。差が になる条件を最後に確かめます。

が成り立つのはどんなときですか。

  • が垂直なとき
  • が同じ向きのとき
  • が平行なとき
__RESULT__

差をとると で、 になるのは のときです。平行でも向きが逆なら となり、等号は成り立ちません。「平行」では条件がゆるすぎます。

よくある誤り

不等式で両辺の符号を確かめずに 2 乗する。左辺が負のときは 2 乗できません。
三角不等式の等号を「平行なとき」と書く。同じ向きのときに限られます。
コーシー・シュワルツの等号を「同じ向き」とする。こちらは逆向きでも成り立ちます。
等号が成り立つ条件を書かない。不等式の答案では最後に必要です。
始点を決めずに計算を始める。すべての点を同じ始点で表してから展開します。
長さの等式を長さのまま変形する。2 乗して内積に直します。
の大きさを とする。別の値です。

長さは 2 乗、不等式は差。この 2 つの型に載せると、図形の証明が計算の作業になります。

参考文献

[1] が平行四辺形の法則と中線との関係、[2] がコーシー・シュワルツの不等式と三角不等式および等号の条件、[3] が内積の展開規則、[4] が大きさと内積の対応です。

Parallelogram law - Wikipedia(英語)
Cauchy-Schwarz inequality - Wikipedia(英語)
Skalarprodukt - Wikipedia(ドイツ語)
Produit scalaire - Wikipédia(フランス語)
中線定理 $AB^2+AC^2=2(AM^2+BM^2)$ は、中点 $M$ を始点にとって $|\vec{b}-\vec{a}|^2+|\vec{a}+\vec{b}|^2$ を展開すると、内積の項が符号違いで消えて出てきます。補助線も合同も要りません。中点連結定理にいたっては $\overrightarrow{MN}=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{BC}$ と定数倍で書けた時点で、平行と長さが同時に決まる。不等式は差をとって $0$ 以上を示す型で、$|\vec{a}+\vec{b}|\leq|\vec{a}|+|\vec{b}|$ の等号は「平行」ではなく「同じ向き」のときだけ成り立ちます。コーシー・シュワルツの等号条件との違いも扱いました。