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空間ベクトルは平面と何が変わるのか?2 点間の距離と対称な点

空間の 2 点 、 の距離は です。 で、。

平面での に、 の項が 1 つ足された形。三平方の定理を 2 回使えば導けます。

座標が 1 つ増えるだけ

空間では、たがいに垂直な 3 本の軸をとります。点は という 3 つの数で決まる。

ベクトルも成分が 3 つになります。 と書き、大きさは成分の 2 乗の和の平方根。

平面での に項が 1 つ足された形です。和も差も実数倍も、成分ごとに計算する点は変わりません。

例:2 点間の距離

、 の距離を求める。 です。

終点から始点を引いて、成分を 2 乗して足す。手順は平面と同じです。

例:原点からの距離

と原点の距離は になります。

符号は 2 乗で消えるため、負の座標があってもそのまま計算できる。

座標平面と座標軸

平面は をみたす点の集まりです。同じように 平面は 、 平面は 。

軸は 、 軸は 、 軸は をみたす点の集まりになります。

点から座標平面までの距離は、対応する座標の絶対値です。 から 平面までは 、 平面までは 。

対称の相手が 3 種類になる

平面では対称の相手が点か直線でしたが、空間では平面と軸と原点の 3 種類になります。

例:座標平面に関する対称点

平面を鏡と見ると、上下がひっくり返ります。 の符号だけが変わる。

の 平面に関する対称点は です。

平面なら の符号が変わって 、 平面なら が変わって 。

鏡になる平面に含まれない座標が、1 つだけ反転します。

例:座標軸に関する対称点

軸を回転の芯と見ると、軸に含まれない 2 つの座標が反転する。

の 軸に関する対称点は です。 と の符号が変わります。

軸なら 、 軸なら 。

平面のときは 1 つ、軸のときは 2 つ。反転する個数で見分けられます。

例:原点に関する対称点

原点に関する対称点では、3 つとも符号が変わります。 なら 。

反転する座標の数は、平面で 、軸で 、原点で です。

xy 平面に関して が反転
yz 平面に関して が反転
zx 平面に関して が反転
x 軸に関して と が反転
y 軸に関して と が反転
z 軸に関して と が反転
原点に関して3 つとも反転

例:等距離にある点を求める

軸上の点で、 と から等距離なものを求めます。

求める点を と置きます。 を立てる。

展開して 。 から です。

で、、。合いました。

距離のまま扱わず、2 乗した形で連立します。根号が消えて 1 次方程式になる。

例:球面の内と外を調べる

中心 、半径 の球面は と書けます。

点 を入れると で、球面の上にあります。

点 なら で より大きい。球の外側です。

中心からの距離が半径と等しいかどうかを見る。円のときと同じ考え方が、そのまま通ります。

例:中点と内分点

と の中点は 。

に内分する点なら です。

成分ごとに平面と同じ公式を当てます。 の行が 1 つ増えるだけ。

の 軸に関する対称点はどれですか。

__RESULT__

軸に含まれない座標は と なので、その 2 つが反転します。 は だけを反転させた形で、これは軸ではなく 平面に関する対称点です。

まちがえやすいところ

対称の相手が平面か軸かで、反転する座標の数が変わります。平面なら 1 つ、軸なら 2 つ。 平面に関する対称点と 軸に関する対称点をとり違える形が、いちばん多い誤りです。

等距離の条件を、距離のまま立ててしまう形も目につきます。根号が残ったままでは計算が進まないので、はじめから 2 乗して連立する。

座標が 1 つ増えても、距離も内分点も式の形は変わりません。増えるのは位置関係の種類のほうです。

$A(1,\ 2,\ 3)$ と $B(3,\ 4,\ 4)$ の距離は $3$ です。$\overrightarrow{AB}=(2,\ 2,\ 1)$ の成分を 2 乗して足すだけで、平面の式に $z$ の項が 1 つ増えた形になっている。和も差も実数倍も、成分ごとに計算する点は変わりません。増えるのは位置関係の種類のほうで、対称の相手が座標平面と座標軸と原点の 3 種類になります。反転する座標は平面で 1 つ、軸で 2 つ、原点で 3 つ。等距離の点を求めるときは 2 乗して連立すると、根号が消えて 1 次方程式になります。球面の内外の判定まで。