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English

ベクトルの式は文字式と同じに動かせる、ただし比べられるのは一次独立なとき

について解くと、 になります。

移項して、まとめて、両辺を で割る。文字式の方程式とまったく同じ手順です[1]

割り算だけは注意が要ります。ベクトルどうしの割り算はできないので、割れるのは実数だけ。それ以外は文字式の規則がそのまま通ります。

文字式と同じ規則で動かせる

和と実数倍については、ベクトルは文字式と同じ規則に従います[1,3]

括弧は分配して外せます。
同じ文字の項どうしはまとめられます。
移項すると符号が変わります。
両辺に同じ実数を掛けたり割ったりできます。

使えないのは、ベクトルどうしの掛け算と割り算です。内積は掛け算に似ていますが、答えが実数になるので別物になる。

のような式は書けません。 なら、 という実数倍のことです。

例:括弧を外して整理する

を計算します。

の項と の項を別々にまとめる。 を掛けるときの符号の反転が、いちばん間違えやすいところです。

例:x について解く

を解きます。 を左辺、それ以外を右辺へ移します。

から 。両辺を で割ります。

は実数なので割れます。答えは の実数倍の和の形にそろえる。

例:分数の係数を払う

を解きます。両辺に を掛けて分母を払う。

となり、展開して

です。分母を払う手順まで、数の方程式と変わりません。

例:連立して解く

を解きます。2 式を足すと が消える。

から 。引くと です。

加減法も代入法も使えます。文字がベクトルに変わっただけ。

例:係数が付いた連立

とします。下の式から

上に代入すると 、つまり です。

になります。 に戻して になるか確かめられる。

一次独立なら係数を比べられる

がどちらも でなく、平行でもないとき、この 2 つは一次独立であるといいます[2,4]

一次独立なら、 が成り立つのは のときに限られます。

だから 2 つの表し方が一致したとき、係数どうしを比べられる。

平面上の点を で表す方法が 1 通りに決まる、ということでもあります[4]

例:係数を比べて未知数を出す

が一次独立で、 が成り立つとします。

係数を比べると 。下の式から です。

上に代入して 、つまり から になります。

ベクトルの 1 本の等式が、実数の連立方程式 2 本に化ける。これが一次独立を使う理由です。

例:一次独立でないと比べられない

の場合を考えます。このとき です。

の係数 さえ合っていれば式は成り立ちます。 でも でも同じ点を指す。

係数の組が 1 通りに決まらないので、比べる操作が成り立ちません。答案では「 は一次独立だから」と断ってから比べます。

のときも同じで、 が何であっても でないことも条件に入ります[2]

例:成分で確かめる

とします。平行ではないので一次独立です。

の形で表します。成分ごとに式を立てる。

下の式から 。上に入れると です。

で合っています。組は 1 通りしかありません[4]

例:分解の問題を連立で解く

を同じ で表します。 です。

を上に入れると から

になります。どんな点でも、この連立を解けば係数が出る。

例:一次独立を確かめてから比べる

が平行かどうかを見ます。 とおくと かつ

で食い違うので、平行ではありません。よって一次独立です。

成分では でないことでも判定できます。 なら平行になる。

2 つの進め方

ベクトルのまま計算する

文字式として整理する。成分が与えられていないときはこちら

成分に落とす

連立方程式にして解く。座標が与えられていれば確実

ベクトルのままなら式が短く、成分に落とせば手が止まりません。与えられた情報で選びます。

が一次独立で のとき、 はいくつですか。

__RESULT__

係数はどちらも になるので、 です。上から 、下に入れて より になります。 だけをみたす組で、2 本目の式が成り立ちません。

よくある誤り

ベクトルどうしで割ろうとする。割れるのは実数だけです。
一次独立を断らずに係数を比べる。答案では 1 行書きます。
と書く。ベクトルの答えは です。
括弧の前が負のときに符号を落とす。すべての項の符号が変わります。
平行な 2 本で分解しようとする。係数が 1 通りに決まりません。
係数を比べたあと実数の連立を解き忘れる。 の値まで出します。
成分の連立で をとり違える。上の行が 成分です。

和と実数倍だけなら文字式と同じ。比べる操作にだけ、一次独立という条件が要ります。

参考文献

[1] が和と実数倍の規則、[2] が一次独立の定義と係数が に限られる条件、[3] が計算規則の整理、[4] が平行でない 2 本による表し方が 1 通りになることです。

Euclidean vector - Wikipedia(英語)
Linear independence - Wikipedia(英語)
Vecteur - Wikipédia(フランス語)
Lineare Unabhängigkeit - Wikipedia(ドイツ語)
$3\vec{x}-\vec{a}=\vec{x}+2\vec{b}$ を解くと $\vec{x}=\dfrac{1}{2}\vec{a}+\vec{b}$ です。移項してまとめて $2$ で割る手順は、数の方程式とまったく同じ。使えないのはベクトルどうしの掛け算と割り算だけで、割れるのは実数に限られます。$\vec{a}$ と $\vec{b}$ が平行でなく $\vec{0}$ でもないとき、この 2 本は一次独立といい、$s\vec{a}+t\vec{b}=s'\vec{a}+t'\vec{b}$ から係数どうしを比べられる。ベクトル 1 本の等式が実数の連立 2 本に化けます。$\vec{b}=2\vec{a}$ だと組が 1 通りに決まらず、この操作が成り立ちません。