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数学 B ベクトルの成分と大きさ(長さ)

ベクトルとは、向きと大きさを持つ量のことです。図形的には矢印として描かれます。力や速度のように「どちらの方向にどれだけ」という情報を同時に持つ量を扱うとき、ベクトルの考え方が必要になります。

成分表示

高校数学では、ベクトルを座標のように 2 つの数の組で表します。たとえば原点から点 に向かう矢印を考えると、このベクトル は

と書けます。これをベクトルの成分表示といい、1 つ目の数を 成分、2 つ目の数を 成分と呼びます。

ここで注意したいのは、ベクトルは「位置」ではなく「移動量」を表しているという点です。 は「 方向に 、 方向に 進む」という意味であり、始点がどこであっても同じベクトルとみなされます。

位置(点)

は平面上の 1 つの点を指す。始点は常に原点。

ベクトル

は「右に 1、上に 2」という移動を表す。始点はどこでもよい。

原点から への矢印も、 から への矢印も、向きと大きさが同じなので同じベクトル です。

ベクトルの演算

成分表示されたベクトルの足し算・引き算・スカラー倍は、各成分ごとに行います。、 として、

足し算

。矢印を「つなげる」操作に対応する。

引き算

。 の先端から の先端へ向かうベクトルに対応する。

スカラー倍

。矢印を 倍に伸縮する操作。 なら向きが逆転する。

たとえば 、 のとき、

成分ごとに計算するだけなので、操作そのものは難しくありません。

ベクトルの大きさ

ベクトルの大きさとは、矢印の長さのことです。 の大きさは と書き、

で求められます。これは原点から点 までの距離にほかならず、三平方の定理そのものです。

成分方向に 、 成分方向に 進んだときの斜辺の長さが であり、三平方の定理から が導かれます。

直角三角形の斜辺 という関係。

いくつか具体例を見てみましょう。

の大きさは です。、、 はピタゴラス数として有名な組み合わせですね。

なら となります。きれいな整数にならないことのほうが多いので、 のまま答えることに慣れておきましょう。

の場合は です。成分が負でも 2 乗すれば正になるので、大きさは常に 以上になります。

単位ベクトル

大きさが のベクトルを単位ベクトルといいます。任意のベクトル ()に対して、

とすれば となり、 と同じ向きの単位ベクトルが得られます。

ベクトル の大きさ を求める

各成分を で割る

大きさ 、向き同じの単位ベクトルが得られる

たとえば の単位ベクトルは です。実際に大きさを確認すると となり、確かに単位ベクトルになっています。

単位ベクトルは「向きだけを取り出したベクトル」と考えることができ、ベクトルの分解や正規化といった場面で活躍します。

2 点間の距離とベクトル

点 から点 へ向かうベクトルは

と表されます。このベクトルの大きさが 2 点間の距離にほかなりません。

中学で習った 2 点間の距離の公式が、ベクトルの大きさとして自然に再登場するわけです。

たとえば と の距離は の大きさなので です。

練習問題

の大きさ は?

__RESULT__

です。

、 のとき、 は?

__RESULT__

です。

と同じ向きの単位ベクトルは?

__RESULT__

なので、各成分を で割って です。

と の距離は?

__RESULT__

なので です。

の大きさ は?

__RESULT__

です。