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空間ベクトルの分解〜平行六面体の 3 辺を基準にとる形

平行六面体の 3 辺を とすると、8 つの頂点はすべて の形で書けます。 はそれぞれ

平面で平行四辺形が果たしていた役目を、空間ではこの立体が引き受けます。基準が 2 本から 3 本に増えるだけで、係数を比べる手つきは同じ。

一次独立が 3 本になる

空間では、 が同一平面上にないとき、この 3 本を一次独立といいます。

このとき が成り立つのは のときに限られます。だから係数を比べられる。

空間のどんなベクトルも、この 3 本の実数倍の和で 1 通りに書けます。平面で 2 本だったものが 3 本になっただけ。

3 本が同一平面上にあると、その平面から外へ行けません。空間全体を表せなくなる。

例:体対角線どうしは中点で交わる

から への対角線の中点は です。

の端点から の端点への対角線の中点も 。同じ点になります。

4 本の体対角線が、すべてこの 1 点を通ります。平行四辺形の対角線が中点で交わる話が、そのまま立体に上がった形。

空間での成分計算

の和は、成分ごとに足す形です。

内積も同じで、成分の積を足し合わせます。項が 1 つ増える。

なす角の求め方も変わりません。 に入れます。

例:内積となす角

とする。内積は です。

。よって

との内積を見ると で、この 2 本は垂直になります。

例:直方体の対角線

3 辺が の直方体を考えます。 と置く。

体対角線は で、長さは です。

3 辺が垂直だから内積の項がすべて になり、2 乗の和がそのまま残ります。

例:垂直でない平行六面体の対角線

で、どの 2 本のなす角も とする。内積はどれも です。

体対角線の長さは 。内積の項が効くので、同じ辺の長さの直方体より長くなります。

3 つのベクトルの和の 2 乗は、 と同じ形に展開する。組み合わせの数だけ内積の項が現れます。

例:係数を比べるときは 3 つになる

が一次独立で、 とします。

係数はすべて になるから 。比べる式が 1 つ増えます。

平面のときと同じで、比べる前に一次独立であることを断ります。同一平面上の 3 本では成り立たない。

例:同一平面上の 3 本では表せない

を考えます。

なので、3 本とも 平面の上にある。どう組み合わせても 成分は のままです。

は、この 3 本では書けません。空間を表すには、平面から出る 1 本がいります。

平面

基準は 2 本。基準にする図形は平行四辺形。係数を比べる式が 2 つ

空間

基準は 3 本。基準にする立体は平行六面体。係数を比べる式が 3 つ

対応が 1 対 1 に付くので、平面で身につけた手順をそのまま持ちこめます。

で、どの 2 本も垂直なとき、 はいくつですか。

__RESULT__

内積がすべて なので です。長さに戻して になります。 は 2 乗のまま答えた値で、1 辺 の立方体の対角線にあたるのが のほう。

まちがえやすいところ

和の 2 乗を展開するとき、内積の項を書き落とす形が多い。3 本なら組み合わせが 3 通りあるので、 が付きます。

直方体の感覚のまま内積を にしてしまうのも、よくあるとり違えです。垂直でない平行六面体では、この項が残ります。

は面の対角線、 が体対角線。どちらを聞かれているかで、足す本数が変わる。

平行六面体を思い浮かべます。平面で平行四辺形が果たしていた役目を、そのまま引き継いだ立体です。

平行六面体の 3 辺を $\vec{a}$、$\vec{b}$、$\vec{c}$ とすると、8 つの頂点はすべて $s\vec{a}+t\vec{b}+u\vec{c}$ で書けて、$s$、$t$、$u$ は $0$ か $1$ です。いちばん遠い頂点が $\vec{a}+\vec{b}+\vec{c}$。平面で平行四辺形が果たしていた役目を、空間ではこの立体が引き受けます。基準が 2 本から 3 本に増えるだけで、係数を比べる手つきは同じ。$|\vec{a}+\vec{b}+\vec{c}|^2$ の展開では内積の項が 3 つ現れるので、3 辺が垂直な直方体でだけ 2 乗の和に縮みます。4 本の体対角線が 1 点で交わることまで。