理科において、力は大きさと向きを持つ量であると習っただろう。大きさと向きを持つ量は、力の他にも、速度や風の吹き方などがある。

例えば、ある地点ある時刻における風の吹き方は、風速と風向から成り立つ。このように、大きさと向きを持つ量を導入すると、これらを効率よく扱える。

このページでは、大きさと向きを持つ量であるベクトルを扱う。

また、図形の問題に対して代数的なアプローチを取れるのもベクトルの利点の一つである。

平面上のベクトル編集

平面上の点   から点   へ向かう矢印を考える。このような矢印のように向きを持つ線分を有向線分という。

このとき、点  始点、点  終点という。

有効線分で、大きさと方向が同じものはベクトルとして同じものとする。

有向線分は位置、長さ(大きさ)、向きという情報を持つ。ベクトルは、有向線分の持つ情報のうち、位置の情報を忘れて、大きさ向きだけに着目したものと考えることができる。

有向線分   で表されるベクトルを   とかく。ベクトルは一文字で   などと表されることがある[1]。ベクトル   の大きさを   で表す。

有向線分  、有向線分   に対し、大きさが等しく、向きが等しいなら、位置が違っていても、ベクトルとして等しく、  である。[2]

大きさが 1 であるベクトルを単位ベクトルという。

 
ベクトル   の逆ベクトル

ベクトル   に対し、ベクトル   と方向がで、大きさが等しいベクトルを逆ベクトルといい、  とかく。

始点と終点が等しいベクトルを零ベクトルといい、  で表す。任意の点   に対し、  である。ゼロベクトルの大きさは 0 で、向きは考えないものとする。

ベクトルの加法編集

 
ベクトルの和

ベクトル   に対し、  となる点をとる。このときベクトルの加法を   で定める。

ベクトルの加法について以下が成り立つ。

  •  
  •  
 
ベクトルの加法は可換である

また、  とする。

ベクトルの減法編集

ベクトル   に対し、   とかく。

 
ベクトルの減法

ベクトルの実数倍編集

ゼロベクトルはないベクトル   と実数   に対し、ベクトルの実数倍   を以下のように定める。

  1.   のとき、ベクトル   と方向が同じで、大きさが   倍されたベクトル
  2.   のとき、ゼロベクトル  
  3.   のとき、逆ベクトル   と方向が同じで、大きさが   倍されたベクトル

またゼロベクトル   に対し、実数倍を   で定める。

以下の性質がなりたつ。

  •  
  •  
  •  

ベクトルの平行・垂直編集

ゼロベクトルではないベクトル   に対し、  となる点をとる。

このとき、直線   と直線   が平行であるとき、ベクトル   は平行であるといい、   で表す。

また、直線   と直線   が垂直であるとき、ベクトル   は垂直であるといい、  で表す。

ベクトル   が平行のとき、明らかに、片方のベクトルを実数倍すれば大きさと向きが一致するので、

  となる実数   が存在する

が成り立つ。

 
ベクトルの実数倍

ベクトルの分解編集

ベクトル   がともにゼロベクトルでなく( ) 、平行でないとき、任意のベクトル   に対して、   となる実数   を取ることができる。

証明

  となる点をとる。点   を通り、直線   に平行な直線が、それぞれ 直線   と交わる点をそれぞれ   と置く。

このとき、   となる実数   を取ることができる。ここで、四角形   は平行四辺形なので、   が成り立つ。

ベクトルの成分表示編集

ベクトル   に対して、座標平面上の原点を   とするとき、  となる点   を取ることができる。そこで、   をベクトル   の成分表示とし、  、または、縦に並べて、   と書く。


ベクトル   に対して、  となる点   をとり、  とするとき

   が一致する   かつ  


また、   に対して、  とするとき、   は線分   の長さなので、

 

である。


ベクトル   に対して、

 

 

 

がなりたつ。

位置ベクトル編集

ある点を基準にして、その点を始点とするベクトルについて考えることにより、ベクトルを用いて点の位置関係について考察することができる。

点の位置関係基準となる点   をあらかじめ定める。このとき、点   に対して、ベクトル   を点   の位置ベクトルという。位置ベクトル   で与えられる点    で表す。

また、点   のとき、  が成り立つ。

内分点・外分点の位置ベクトル編集

以下、位置ベクトルの基準点を点   とする。

  を通る線分    に内分する点   を求める。

  より、  したがって、  である。[3]


次に、点   を通る線分    に外分する点   を求める。

  の場合は、   より、  したがって、  である。[4]

  の場合は、  に注意して同様に計算すれば、前と同じ、   が得られる。[5]

三角形の重心の位置ベクトル編集

三角形   に対し、   と置く。この三角形   の重心   を求める。

線分   の中点を   とすると、点   は線分    に内分する点なので、   である。

  は線分    に内分する点なので、   である。[6]

三角形の内心の位置ベクトル編集

三角形   に対し、   と置く。さらに、  と置く。三角形   の内心の位置ベクトル   を求める。[7]

  の二等分線と線分   の交点を   とする。このとき、三角形の二等分線の性質より  したがって、  である。

ここで、 [8] である。

したがって、  である。

ベクトルの内積編集

中学または高校の理科の力学では、力学的な仕事の定義をならったことがあるだろう。この仕事では、移動方向以外の力は、仕事に寄与しなかった。このような力の仕事の計算を、ベクトルの観点からみれば、内積という新しい概念が定義できる。[9][10]

ベクトル   に対し、   となる点   をとる。このとき、  ベクトル   のなす角という。

(図)

ベクトル   のなす角を   とするとき、内積  

 

で定める。[11]

定義から、ベクトルの内積は一方のベクトルをもう一方のベクトルに射影したときの、大きさの積であると言える。

(図)

成分表示された内積編集

ベクトル    と成分表示したときの、内積   について考えてみよう。

ベクトル   に対し、   となる点   をとり、ベクトル   のなす角を   とする。このとき   に対し余弦定理を用いて

 

(図)

ここで、   と、  より

  であるので、   である。

ここで、   なので、これを代入すれば

      である。

したがって   が得られた。

内積の性質編集

内積の性質 ― ベクトル   と実数   に対し以下が成り立つ。

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  

これらはベクトルを成分表示して計算すれば証明できる。

ベクトル方程式編集

演習問題

 とする。 このとき、線分OAを1:3に分ける点と、線分OBを5:2に分ける点をそれぞれ、A',B'とする。

(1) ベクトル   をベクトル を用いてあらわせ。

(2) 線分AB'と、BA'の交点 M の位置ベクトルをベクトル を用いてあらわせ。

媒介変数を使った直線のベクトル方程式編集

  を通り、ベクトル   に平行な直線を   とする。  上の点を   とすると、 または  だから

 

となる実数   がある。

すなわち、

 

よって、

 

これを、直線  ベクトル方程式(vector equation)といい、   方向ベクトルという。また、 媒介変数(ばいかいへんすう)という。


点Aの座標を  、点Pの座標を とおくと、ベクトル方程式  

 

となる。したがって

 

これを直線  媒介変数表示という。



演習問題

点A を通り、 に平行な直線の方程式を、媒介変数tを用いて表せ。

また、tを消去した式で表せ。


2点   を通る直線のベクトル方程式を考える。

直線ABは、点Aを通り、 を方向ベクトルとする直線と考えられるから、そのベクトル方程式は

 

となる。これは次のように書ける。

 


演習問題

2点A ,B を通る直線の方程式を、媒介変数tを用いて表せ。


内積を使った直線のベクトル方程式編集

点Aを通って、 でないベクトル、 に垂直な直線をgとする。g上の点をPとすると、 または だから

 …(1)

である。

点A,Pの位置ベクトルをそれぞれ、 とすると、 だから、(1)は

 …(2)

となる。(2)が点Aを通って、 に垂直な直線gのベクトル方程式であり、 をこの直線の法線ベクトル(ほうせんベクトル、normal vector)という。


点Aの座標を  、点Pの座標を とおくと、 だから、(2)は次のようになる。

 

この方程式は、 とおくと、 となるから、次のことがいえる。

直線 の法線ベクトルは、 である。


演習問題

点A を通り、 に垂直な直線の方程式を求めよ。

空間座標とベクトル編集

ここまでは、平面上のベクトルについて考えてきたが、ここからは3次元空間上のベクトルについて考える。より一般にベクトルはn次元(ユークリッド)空間上で定義することができるが、このようなものは高校では扱わない。

空間座標編集

今までは、平面上の図形をベクトルや数式を用いて表現する方法を学んで来た。 ここでいう2次元とは、平面のことである。平面上の任意の点を指定するには最低でも2以上の実数が必要だからこのように呼ばれている。


もちろん容易に分かる通り、2つ以上の次元を持っている図形も存在する。 例えば、3次元立体の1つである直方体は縦、横、高さの3つの長さを持っているので、3次元図形と呼ばれる。


空間に1つの平面をとり、その上に直交する座標軸 をとる。次にOを通りこの平面に垂直な直線 をひき、その直線上で、Oを原点とする座標を考える。

この3直線 は、どの2つも互いに垂直である。これらを座標軸といい、それぞれx軸、y軸、z軸という。

また、x軸とy軸とで定まる平面をxy平面といい、y軸とz軸とで定まる平面をyz平面といい、z軸とx軸とで定まる平面をzx平面といい、これらを座標平面という。


空間内の点Aに対して、Aを通って各座標平面に平行な3つの平面をつくり、それらがx軸、y軸、z軸と交わる点を とし、 のそれぞれの軸上での座標を とする。

このとき、3つの数の組

 

を点Aの座標といい、 x座標といい、 y座標といい、 z座標という。

このように座標の定められた空間を座標空間と呼び、点Oを座標空間の原点という。

球面の方程式編集

ここでは、特に3次元空間の図形に注目する。 まずはベクトルを用いる前に3次元空間の空間図形を、数式によって記述する方法を考察する。


2次元空間において、もっとも簡単な図形は直線であり、その式は一般的に

 

で表わされた。 ( , , は任意の定数。) ここで , は、2次元空間を代表する2つのパラメーターであり、3次元空間を用いたときには、これらは3つの文字で表わされることが期待される。

実際このような式で表わされる図形は、3次元空間でも基本的な図形である。つまり、

 

が、上の式の類似物として得られる。 ( , , , は任意の定数。)

このような図形はどんな図形に対応するだろうか?

実際にはこの図形を特徴づけるのは、後に学ぶ3次元ベクトルを用いるのがもっとも簡単であるので、これは後にまわすことにする。

しかし、ただ1つこの式から分かることは、3次元空間の座標を表わすパラメーター

 

のうちに1つの関係

 

を与えることで、3次元空間上の図形を指定できるということである。この場合は、

 

を用いていた。

ベクトルを使わなくても図形的解釈が得られる式として、

 

が挙げられる。 ( , , , は任意の定数。) この式は、2次元でいうところの

 

の式の類似物である。2次元の場合はこの式は、

中心 半径 の円に対応していた。 3次元のこの式は、結論をいうと中心 半径 の円に対応しているのである。

  • 説明

上の式

 

を満たすある点 を取り、その点と点 との距離を考える。

空間座標に置ける 軸、  軸、  軸はそれぞれ直交しているので、2点の距離は3平方の定理を用いて

 

で与えられる。

しかし、上の式からここで選んだ点 は、条件

 

を満たしているので、2点の距離は

 
 
 

である。 ( を用いた。)

よって、上の式を満たす点は全て点 からの距離が である点であり、これは中心 半径 の円に他ならない。


演習問題

中心

 

半径

 

の球の式を求めよ。

演習問題

 

がどのような 球に対応するか計算せよ。

空間におけるベクトル編集

次に3次元空間上におけるベクトルを考察する。 2次元空間上ではベクトルは2つの量の組み合わせで表わされた。 これは1つのベクトルはx軸方向に対応する量とy軸方向に対応する量の2つを持っている必要があったからである。 このことから、3次元空間のベクトルは3つの量の組み合わせで書けることが予想される。 特に 軸方向の成分 ,  軸方向の成分 ,  軸方向の成分  ( , , は任意の定数。) で表わされるベクトルを、

 

と書いて表わすことにする。

2次元平面では あるベクトル

 

は、 ( , は任意の定数。)

 
 

の2本のベクトルを用いて、

 

で表わされた。 3次元空間でもこのような記述法があり、上で用いたベクトル

 

は、

 
 
 

を用いて

 

と書かれたベクトルに対応している。

3次元ベクトルに対しても2次元ベクトルで定めた定義や性質がほぼそのまま成立する。

3次元ベクトルの加法は、それぞれのベクトル要素を独立に足し合わせることによって定義する。

 
 

また、それぞれのベクトルの要素が全て等しいベクトルを"ベクトルとして等しい"と表現する。

演習問題

ベクトルの和

 

を計算せよ。


空間ベクトルの内積編集

ベクトル , 間のベクトルの内積も平面の場合と同様に

 

( は、ベクトル , のなす角。)

分配法則や1次独立の性質もそのまま成り立つ。 ただし、3次元空間の全てのベクトルを張るには、3つの線形独立なベクトルを持って来る必要がある。


  • 注意

このことの証明はおそらく線型代数学などに詳しい。

演習問題

2つのベクトルの内積

 

を計算せよ。

演習問題

2次元空間のベクトルは2本の1次独立なベクトルがあれば、必ずそれらの線形結合によって計算できるはずである。

ここで、

 

 

を用いて、

 

を、

 

の形に書いてみよ。 ( , は、何らかの定数。)


この表式を用いて、以前見た

 

の図形的解釈を述べる。

この図形上の任意の点を で表わす。 この点は原点Oに対する位置ベクトルを用いると で与えられる。 便宜のために このベクトルを と書くことにする。

一方、ベクトル を用いると、上の式はベクトルの内積を用いて で与えられる。 つまり、この式で表わされる図形はあるベクトル   との内積を一定に保つ図形である。 この図形は、実際には   に直交する平面で与えられる。 なぜならこのような平面上の点は、必ず平面上のある一点の位置ベクトルに加えて、 ベクトル   に直交するベクトルを加えたもので書くことが出来る。 しかし、 ベクトル   に直交するベクトルと ベクトル   の内積は必ず0であるので、 このような点の集合は ベクトル   と一定の内積を持つのである。

よって元の式

 

は、 ベクトル に直交する平面に対応することが分かった。 次に が、図形が表わす平面と、原点との距離に関係があることを示す。

特に、ベクトル に比例する位置ベクトルを持つ点 を考える。このときこの点と原点との距離は、 平面

 

と原点との距離に対応する。 なぜなら、位置ベクトル は、原点から平面

 

に垂直に下ろした線に対応するからである。

このことから仮に 方向の単位ベクトルを と書き、平面と原点との距離を と書くと、 が得られる。 この式を

 

に代入すると、

 
 

が得られる。よって、 は、 平面と原点の距離 とベクトル の大きさをかけたものである。



演習問題

特にベクトル

 

を取ると、どのような式が得られて、その式は どのような図形に対応するか。

 平面に平行であり、 平面からの距離が である平面。

コラムなど編集

ベクトルの理論の歴史
 
ハミルトン

実は、20世紀以降の現代(今は21世紀)でこそ、複素数とベクトルの理論はそれぞれ独立した理論として整理されているが、しかし発見の順序は違かったのである。

歴史的には、先に数学者ハミルトンによって複素数を拡張した「四元数」(しげんすう、よんげんすう)の理論が発見され、あとから別の数学者・物理学者(ギブスなど)によってベクトルの理論が発見された。

四元数は、

a + bi + cj + dk

のように、一般に3つの単位i,j,kをもちいて表される数である。

四元数は複素数の理論を拡張した理論なので、2乗すると ー1 になる単位  i,  j,  k  を持っている。実数の単位1個に加えて、さらに3つの単位 i,  j,  k をもっているので、合計で4個の単位があるので「四元数」といわれるわけである。

検定教科書では、ベクトルの創設者について、コラムなどで、ハミルトンという人物がベクトルの発見者だという感じで書いてある。

そして、ある検定教科書には、彼ハミルトンが、複素数の理論を拡張した「四元数」(しげんすう、よんげんすう)の理論を発見したとも記述されている。


さて、ハミルトンによる四元数の発見後、さらに研究が進むと、図形や物理学などの問題を解くさいには 2乗してー1になる性質はほとんどの空間・立体(3次元の図形)の問題を解く応用の場合には不要であることが分かり、学校教育の場ではベクトルと複素数を別々に教えるようになったわけである。

そして、四元数の公式のうち、ベクトルでも類似の公式が成り立つ場合には、その四元数の公式がベクトル用に改良されてベクトルの公式として輸入されたので、結果的にハミルトンはベクトルの公式の発見者としても紹介されることになった。




「外積」(がいせき)
※ 啓林館のコラムでのハミルトンの数学史の部分に「外積」という用語がある。

中学の理科で習った「フレミングの法則」という電気回路のモーターの原理の法則では、電流の大きさ と 磁力の強さ を掛けた積によって力の強さが決まるが、

力の向きは、電流の向きから磁界の向きに、右ねじを回すときに進む向きに、力が発生するのだった(なので、「右ねじの法則」とも言われる)。


このフレミングの法則のように、掛けるベクトルの順序によって、積の結果の正負の符号が変わる量があると便利である。そして、すでに現代のベクトルの理論には、そのような理論が用意されている。「外積」(がいせき)という理論が、そのように、掛けるベクトルの順序によって、正負の符号が変わる量である。


なお数学史的には、じつは先ほどのコラムで説明した四元数のほうで歴史的には先に、このように掛ける順序によって四元数の正負が変わる性質がハミルトンによって発見されていた(※ 啓林館の検定教科書のコラムでは、この事だけ説明されている)。

そして数学者ギブスなど後世の数学者によって四元数の理論からベクトルの理論が独立するさいに、掛ける順序によって符号の正負が変わる性質は物理学の電磁気の問題を解くなどの応用にも便利なので、これらの性質が、ベクトルの「外積」の理論として活用されることになった。

※ 外積は高校の範囲外なので、暗記などは不要である。ただし、物理の受験参考書などで、ベクトルの外積の計算法を紹介している書籍がいくつかある。


脚注編集

  1. ^ または、太文字で   などと表記されることもある。しかし、日本の高等学校、大学入試では   がほとんどである。
  2. ^ ベクトルとして等しくても、有向線分として等しいとは限らない
  3. ^  
  4. ^  
  5. ^   の場合、つまり線分を   に外分する点は存在しない。なぜなら、任意の線分ABに対してAP:BP=1:1となる点Pは線分ABの直角二等分線上にあるが、点Pが線分AB上にある場合、これは内分点であり、点Pが線分AB上にない場合、これは外分点ではありえない。
  6. ^  
  7. ^ ここで、線分の長さと頂点の位置ベクトルを同じアルファベットで置いているが、記号   のついているものは、ベクトル。記号   のついていないものは実数であることに注意せよ。
  8. ^   より  
  9. ^ 物理数学Iなどを参照
  10. ^ これは、内”積”という名前がついているが、実数の”積”とは様子が違い、単純に実数の積をベクトルに拡張したものが内積というわけではない。実数の積は実数から実数への演算であるが、ベクトルの内積はベクトルから実数への演算である。
  11. ^ 内積     のように表記してはいけない。  はベクトルの外積を表す。