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2 つのベクトルに垂直なベクトルはどう求めるのか?空間での連立

と の両方に垂直な単位ベクトルは です。

求め方は連立 1 回。 と置いて と を立て、最後に大きさを にそろえます。

答えが 2 つ現れるところが特徴です。向きが反対の 2 本が、どちらも条件をみたす。

垂直の条件を 2 つ立てる

求めるベクトルを と置きます。未知数は 3 つ。

垂直の条件は内積が になることでした。相手が 2 本あるため、式も 2 つ立ちます。

未知数 3 つに式 2 つだから、答えは 1 つに決まりません。1 文字ぶんの自由が残り、1 本の直線に沿うベクトル全体が解になる。

そこへ「大きさが 」という条件を足すと、向きが反対の 2 本にしぼられます。

例:連立して向きを求める

、 とします。条件を成分で書く。

2 式を足すと で 。これを上の式に入れると 、つまり です。

と置くと 、。 が 1 つの答え。

に何を入れても、現れるのは の実数倍。向きはこれ 1 通りです。

未知数 3 つで置いて、内積が 0 の式を 2 つ立てる

1 文字を残して他を表し、小さな整数の組をとる

大きさで割って 1 にそろえる

例:大きさを 1 にそろえる

の大きさは 。

で割ると になります。これが単位ベクトル。

検算すると 。 との内積も で合いました。

例:答えは 2 つある

も、両方に垂直で大きさが です。

単位ベクトルは の 2 つ。答案では複号を付けて両方を書きます。

向きを 1 つに決めたいなら、追加の条件がいります。「 成分が正のもの」のような指定です。

例:大きさが整数にならないとき

、 で試す。条件は と です。

、 だから の実数倍。

大きさは で、単位ベクトルは です。有理化すると 。

大きさが整数にならなくても手順は変わりません。根号が現れるぶん、書き方だけそろえる。

例:三角形の面に垂直なベクトル

、、 の 3 点を通る面に垂直なベクトルを求めます。

と は、さきほどの 、 そのもの。答えは です。

3 点が与えられたら、まず 2 本のベクトルを作る。そこから先は同じ連立になります。

面に垂直なので、この は とも垂直です。実際 で、内積は 。

例:平行な 2 本だと決まらない

、 とします。 なので平行になります。

条件を書くと と 。2 つ目は 1 つ目の 倍で、新しい情報を持ちません。

式が実質 1 つのため、答えは平面いっぱいに広がります。垂直な単位ベクトルは無数にある。

と が平行でないことが、向きが 1 通りに決まる条件になります。

例:どちらの向きかを指定されたとき

のうち、 成分が正のものを選ぶとする。

と だから、後者の が答えです。

成分の符号や、別のベクトルとの内積の符号で指定されることがあります。条件を読んでから複号を落とす。

内積で確かめる

と の両方との内積が になるかを見る

大きさで確かめる

成分の 2 乗の和が になるかを見る

と の両方に垂直なベクトルはどれですか。

__RESULT__

と から です。 と置けば 。 は との内積が になるため、垂直ではありません。

まちがえやすいところ

答えを 1 つだけ書いて終える形が、いちばん多いとり違えです。大きさを にそろえた時点で向きが 2 つ残るため、複号を付けます。

大きさで割る前に、成分を小さな整数の組に直しておくと計算が短くなる。 のように、いちばん扱いやすい値を選びます。

平行な 2 本を相手にすると、条件が実質 1 つになって向きが決まりません。連立する前に、2 本が平行でないことを見ておきます。

内積が の式を 2 つ立てて、1 文字を残して解く。3 点が与えられた問題も、2 本のベクトルを作ればここへ戻ります。

$\vec{a}=(2,\ 1,\ 2)$ と $\vec{b}=(1,\ 2,\ -2)$ の両方に垂直な単位ベクトルは $\pm\dfrac{1}{3}(-2,\ 2,\ 1)$ です。$\vec{n}=(x,\ y,\ z)$ と置いて内積が $0$ の式を 2 つ立てるところから始まります。未知数 3 つに式 2 つなので 1 文字ぶんの自由が残り、そこへ「大きさが $1$」を足すと向きが反対の 2 本にしぼられる。答えが 2 つ現れるところが特徴で、答案では複号を付けて書きます。3 点が与えられたときは、まず 2 本のベクトルを作れば同じ連立に戻る。平行な 2 本だと決まらない理由まで。