4章 ベクトル 1節 ベクトルとその演算
※太字の英文字(AB や a)はベクトル()を表します。

 平面上の動点がAから出発してBまで移動することは、右の図のように、線分ABに矢印を書きたしたもので表される。このように矢印によって向きを指定された線分を有向線分とよび、A をその始点、B をその終点という。
 BからAへの移動は、右の図のように、上の図と逆向きの矢印のついた有向線分で表される。
 平面上の有向線分ABの向きと長さだけを考え、その位置を無視したとき、それを平面上のベクトルまたは単にベクトルといい、ABで表す。
 そして、線分ABの長さをベクトルABの大きさといい、|AB|で表す。すなわち
   |AB|=AB
 ベクトルはその大きさと向きによって定まるから、ABとCDが等しいということは、それらの大きさと向きが一致することである。
 ABとCDが等しいとき
   AB=CD
と書く。
 また、右の図からわかるように、
   AB=CD
ならば、有向線分CDを平行に移動して、有向線分ABと重ね合わせることができる。逆にこれができれば、AB=CDである。
 ベクトルを
   a=AB、 b=CD
のように、文字a、bなどで表す。
 ABとBAは大きさは同じであるが向きが反対である。このように a と大きさは同じで、向きが反対のベクトルを a の逆ベクトルといい、−a で表す。したがって
   −AB=BA
である。
ベクトルの加法
 a に等しいベクトルをAB、b に等しいベクトルをBCとする。このとき、ベクトル c=AC を a と b の和と定義し
  a+b=c
と書く。
 この定義は、始点Aのとり方に関係しない。
零ベクトル
AAは”向きをつけた線分”ではないが、これを大きさ0で任意の向きをもつベクトルと考え、0 で表す。0 を零ベクトルという。
(1) 零ベクトルの大きさは |0|=0
(2) 零ベクトルの向きは任意
(3) a+(-a)=0
(4) a+0=a
ベクトルの加法に対して、次の基本性質が成り立つ。
 (1) a+b=b+a  (交換法則)
 (2) (a+b)+c=a+(b+c)  (結合法則)
(a+b)+c または a+(b+c) は、かっこを省略して a+b+c と書くことができる。
ベクトルの減法
 2つのベクトル a,b に対して
  b+x=a
を満たすベクトル x を
  x=a−b
と表し、x を a から b を引いた差という。
ベクトルの実数倍
ベクトル a と実数 m の積 ma は次のようなベクトルである。
(i) a が 0 でないとき
  (1) m>0 ならば、ma は a と同じ向きで大きさが m|a| に等しいベクトル
  (2) m<0 ならば、ma は a と反対の向きで大きさが |m||a| に等しいベクトル
  (3) m=0 ならば、ma は零ベクトル 0
(ii) a が 0 のとき ma は零ベクトル 0
ベクトルの平行
 いずれも零ベクトルでない2つのベクトル a,b が、同じ向きまたは反対の向きをもつとき、a と b は互いに平行であるといい、a//b と書く。
 a≠0、 b≠0 のとき
   a=mb ←→ a//b
ベクトルの実数倍について、次の基本性質が成り立つ
 (1) (mn)a=m(na)   (結合法則)
 (2) (m+n)a=ma+na   (分配法則I)
 (3) m(a+b)=ma+mb   (分配法則II)
(mn)a または m(na) はかっこを省略して mna と書ける。
ベクトルの成分
 平面ベクトルPQが与えられたとき、PQのx軸への正射影をAB、y軸への正射影をCDとすれば、図からわかるように
  PQ=AB+CD ・・・・・・(1)
である。この AB,CD をそれぞれx軸方向、y軸方向のPQの成分ベクトルという。
 平面上の任意のベクトルはその成分ベクトルの和として表される。

 大きさ1のベクトルを単位ベクトルという。
 特に、x軸の正の向きと同じ向きをもつ単位ベクトルを e で表し、e をx軸方向の基本ベクトルという。
 同様にして、y軸方向の基本ベクトルを考え、これを f で表す。
 (1) において、PQの成分ベクトルは、それぞれ e、f に平行であるから、それらの実数倍として表される。
  AB=me、  CD=nf
とすれば、m、n はそれぞれOE、OFに関するPQの成分であって、次のように表せる。
  PQ=me+nf  (PQの基本ベクトル表示)
このとき、mをPQのx成分、nをPQのy成分という。
ベクトルは、そのx成分とy成分とによって定められる。
上図から、明らかに
   
ベクトルの成分と座票差
 点P,Qの座標をそれぞれ (x、y)、(x'、y') とする。
 PQのx成分m、y成分n は次の式で求められる。
   m=x'−x、   n=y'−y
このとき、
   
a=me+nf であるとき、ベクトル a を簡単にベクトル(m,n)とも書く。すなわち
   a=(m,n)
この書き方をベクトル a の直交軸Oxy に関する成分表示という。
成分による演算
(1) (a1,a2)+(b1,b2)=(a1+b1,a2+b2)
(2) (a1,a2)−(b1,b2)=(a1−b1,a2−b2)
(3) k(a1,a2)=(ka1,ka2)

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