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 と 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。
が 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。
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、 と 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。
で 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、 と 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。
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 と 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。
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
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
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。
- と が垂直なとき
- と が同じ向きのとき
- と が平行なとき
よくある誤り
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。












差をとると 2(∣a∣∣b∣−a⋅b) で、0 になるのは cosθ=1 のときです。平行でも向きが逆なら cosθ=−1 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。