「空間ベクトル」に関する質問と回答

 

空間ベクトルの内積
さん    [Profile 秘密に住む高校2年生の女性の方] 投稿日2002/8/20(火)00:26

はじめまして。高2のtです、空間ベクトルの質問をさせてください。


1辺の長さαの立方体ABCD-EFGHにおいて、
AHとDEの交点をP、BGとCFの交点をQとする。
次の内積を求めよ
(1)→  →
   AB ・AH

(2)→  →
   AC ・AG

(3)→  →
  AP  ・AQ

答えは順に0、2α^2、α^2/2
になるのですが、そこにいきつくまでの計算ができません。

過程を教えて下さい、よろしくお願いします

新矢  [Profile M78星雲に住む秘密の男性の方] 投稿日:2002/8/20(火)01:50

tさん、はじめまして。

ベクトルの問題は、参考書や指導者で解き方の説明が全然違うので、
とまどってしまう人が多いと思います。
当然、どのような解き方も正しいのだから、調べれば調べるほど、生徒さんはますます、訳がわからなくなっていきます。
大事なことは、自分にあっている解法を身につけることです。

私は、より多くの問題に対応できる汎用性の高い解法で指導していますから、
tさんの学校の先生の解法とは違うかもしれませんので、その点最初に申し上げておきます。

当然、絵は描いてますね。

Aを位置ベクトルの原点とし、基本となるベクトルを
vec{b}=vec{AB}、vec{d}=vec{AD}、vec{e}=vec{AE} とする。

|vec{b}|=|vec{d}|=|vec{e}|=α
vec{b}・vec{d}=vec{d}・vec{d}=vec{b}・vec{e}=0

★ 以下、見やすさを重視するため、b、dなどは位置ベクトルを
  APなどは vec{AP} を
  bd などは 内積 vec{b}・vec{d} を表すことにする。
注意…実際の試験ではこのような表記をしては絶対にいけません!

(1) h=AH=d+e
  AB・AH=b・h=b・(d+e)=bd+be=0
(2) c=AC=b+d
   g=AG=b+d+e
  AC・AG=c・g=(b+d)・(b+d+e)
     =|b|^{2}+bd+be+db+|d|^{2}+de
     =α^{2}+α^{2}=2α^{2}
(3) P はE、Dの中点なので
  p=AP=(d+e)/2
 QはB,Gの中点なので
  q=AQ=(b+g)/2=(b+b+d+e)/2=(2b+d+e)/2
 AP・AQ=p・q={(d+e)/2}・{(2b+d+e)/2}
    =(1/4){(d+e)・(2b+d+e)}
    =(1/4){2bd+|d|^{2}+de+2eb+de+|e|^{2}}
    =(1/4){2α^{2}}
    =α^{2}/2

WEBでベクトルを表すのって、やりにくいですね。
わかりにくくて、ごめんなさい。



 

空間ベクトル ―― 共面条件
大化さん    [Profile 関東地方に住む高校3年生の女性の方] 投稿日2002/6/10(月)21:09

初めまして。どうも解き方がわからない問題があるので教えてください。

四面体OABCについて、OA,OB,OCをそれぞれ1:1、2:1,3:1に内分する点を順にP,Q,Rとし、△PQRの重心をGとする。vec{OA}=vec{a},vec{OB}=vec{b},vec{OC}=vec{c}とするとき、次の問に答えよ。
(1)vec{OG}をvec{a},vec{b},vec{c}で表せ。
(2)OGが平面上ABCと交わる点をHとする。vec{OH}をvec{a},vec{b},vec{c}で表せ。

以上です。よろしくお願いします。

池田 敦さん の ホームページ  [Profile 大阪府に住む大学院生の男性の方] 投稿日:2002/6/10(月)23:58

助っ人の池田です。

まず vec{OP}, vec{OQ}, vec{OR} を vec{a}, vec{b}, vec{c} で求めるとどうなるかと言いますと、
   vec{OP}=(1/2)vec{a},
   vec{OQ}=(2/3)vec{b},
   vec{OR}=(3/4)vec{c}
となります。

(1) △PQR の重心の座標は
   vec{OG}=frac{vec{OP}+vec{OQ}+vec{OR}}{3}
       =frac{(1/2)vec{a}+(2/3)vec{b}+(3/4)vec{c}}{3}
       =(1/6)vec{a}+(2/9)vec{b}+(1/4)vec{c}
となります。

(2) 実数 k に対して vec{OH}=k vec{OG} とおいてみます。
(H は OG の延長上にありますから)
すると
   vec{OH}=k vec{OG}
       =k((1/6)vec{a}+(2/9)vec{b}+(1/4)vec{c})
       =(1/6)k vec{a}+(2/9)k vec{b}+(1/4)k vec{c}
となります。
ここで H が平面 ABC 上にあるのですから、それぞれの係数の和、つまり
   (1/6)k+(2/9)k+(1/4)k
が1でなければなりません。ですから
   (1/6)k+(2/9)k+(1/4)k=1
   (1/6+2/9+1/4)k=1
   (23/36)k=1
   k=36/23
となります。これを元の式に代入すれば
   vec{OH}=(1/6)(36/23)vec{a}+(2/9)(36/23)vec{b}+(1/4)(36/23)vec{c}

       =(6/23)vec{a}+(8/23)vec{b}+(9/23)vec{c}
となります。


大化さん  [Profile 関東地方に住む高校3年生の女性の方] 投稿日:2002/6/11(火)00:06

どうもありがとうございました。
本当に助かりました。

新矢さん  [Profile 兵庫県に住む男性の方] 投稿日:2002/6/11(火)00:17

大化さん,はじめまして。大化の改新からのHNなんですか?

(2)のいわゆる“共面条件”
  vec{h}=l vec{a}+m vec{b}+c vec{c} と表せるとき,
 4点 A,B,C,H が同一平面内にあるならば,l+m+n=1 である。
のところが解かりにくいと思いますので,これを簡単に説明します。

今,4点 A,B,C,H が同一平面内にあるとすると,
 vec{AH}=α vec{AB}+β vec{AC} と表すことができますね。
これを,位置ベクトルで書きなおすと
  vec{h}-vec{a}=α (vec{b}-vec{a})+β(vec{c}-vec{a})
         =α vec{b}-α vec{a}+β vec{c}-β vec{a}
   vec{h}=(1-α-β)vec{a}+α vec{b}+β vec{c} が成り立ちます。
ここで,改めて vec{a}の係数をl,vec{b}の係数をm,vec{c}の係数をn
と置きなおすと,l=1-α-β ,m=α ,n=β 
ですから,l+m+n=1 が成立します。

(1) は vec{g}=frsc{1}{6} vec{a}+frac{2}{9} vec{b}+frac{1}{4} vec{c}
になると,思います。

vec{h}=k vec{g} とすると,
vec{h}=frac{k}{6} vec{a}+frac{2k}{9} vec{b}+frac{k}{4} vec{c} …@

共面条件(係数和=1)より,frac{k}{6}+frac{2k}{9}+frac{k}{4}=1
これを解いて k=36/23  ,@に代入して
vec{h}=frac{6}{23} vec{a}+frac{8}{23} vec{b}+frac{9}{23} vec{c}


新矢さん  [Profile 兵庫県に住む男性の方] 投稿日:2002/6/11(火)00:19

池田先生,いつもご丁寧で解かりやすい回答,ありがとうございます。
みごとにレスかぶっちゃいましたね。

池田 敦さん の ホームページ  [Profile 大阪府に住む大学院生の男性の方] 投稿日:2002/6/11(火)00:45

いえいえ、私如きの説明などは共面条件の説明が全くなくて、
ただ単に共面条件を利用しただけですから、
新矢先生のレスに助けられましたよ。私からも、ありがとうございました。

 

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