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ベクトル解析の基礎〜ベクトル・内積・外積〜

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Academic year: 2021

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(1)

ベクトル解析演習 演習問題

(1)

ベクトル解析の基礎〜ベクトル・内積・外積〜

(補足編)

担当: 金丸隆志

学籍番号: 氏名:

[補足 1]

ベクトルの和、スカラー倍、内積に関して知ってお くべき公式をまとめると以下の通り。ただし、a

=

⎛

⎜⎝ ax ay

az

⎞

⎟⎠、b=

⎛

⎜⎝ bx by

bz

⎞

⎟⎠

とする。

• p(a+b) =pa+pb(p

はスカラー)

• |a|=

a2x+a2y+a2z

• a·b=|a||b|cosθ (θ

は

a

と

b

が成す角度)

• a·b=axbx+ayby+azbz

• a·b=b·a

• (a+b)·c=a·c+b·c

• a·a=|a|2

•

ベクトル

a

と

b

が直交するための必要十分条件 は

a·b= 0

[補足 2]

i =

⎛

⎜⎝ 1 0 0

⎞

⎟⎠

、j

=

⎛

⎜⎝ 0 1 0

⎞

⎟⎠

、k

=

⎛

⎜⎝ 0 0 1

⎞

⎟⎠

をそれぞれ

x

軸、y 軸、z 軸 の基本ベクトルという。これらはお 互いに直交するので、

i·j=j·k=k·i= 0

がすぐわかる。また、長さが

1

であること、すなわち

|i|=|j|=|k|= 1

もすぐわかるであろう。

念のため理由を書いておくと、以下のように定義通 り計算するだけである。

i·j= 1·0 + 0·1 + 0·0 = 0

|i|= 12+ 02+ 02= 1

[補足 3]

ベクトル

a =

⎛

⎜⎝ ax ay

az

⎞

⎟⎠

、b

=

⎛

⎜⎝ bx by

bz

⎞

⎟⎠

に対する外積

a×b

はベクトルとなり、その成分は以下の公式で計 算できる。a

×b=

⎛

⎜⎝

aybz−azby azbx−axbz

axby−aybx

⎞

⎟⎠

。この公式は覚

えるべきものであるが、この公式の覚えるための簡便 法を図

1

に示す。a と

b

の成分を順番に書き出し、そ

a

x

a

y

a

z

a

x

a

y

a :

b

x

b

y

b

z

b

x

b

y

b :

a

y

b

z

− a

z

b

y

a

z

b

x

− a

x

b

z

a

x

b

y

− a

y

b

x

a ザ b :

図

1:

外積

a×b

の成分の暗記法

の

2

番目から

(ay

から) たすきがけの計算を行うこと で

a×b

の成分が作られるわけである。また、外積の 直観的な意味を図

2

に示した。ベクトル

a

から

b

へ 向かって右ネジを回すことを想像しよう。その際右ネ ジが進む向きを表しているのが外積

a×b

のベクトル であるというわけである。

a b aザb

図

2:

外積

a×b

の理解

1

(2)

[補足 4]

物理法則の多くはベクトルで表されている。皆さんが 既に知っているものをいくつか挙げると、

•

運動方程式

ma =

iFi (a

は加速度ベクト ル、

iFi

は物体に働く力のベクトル和)

•

運動量保存則

imivi =

一定

(運動量ベクト

ルの総和が一定)

•

力が物体に及ぼす仕事

W =F ·r (F

は物体 に働く一定の力、r は物体の移動を表すベクト ルで、仕事は内積で表される)

などである。最後の「仕事

W =F·r」について補足し

たのが図

3

である。これまでは水平方向の力

|F|cosθ

が成す仕事が

|F||r|cosθ

と考えていたかもしれない が、これは実は内積

F·r

を計算していたわけである。

F r

|F| cosθ θ W=Fわr=|F||r| cosθ

図

3:

物体に働く力

F

がなす仕事

W

は移動量ベクト ル

r

との内積で表される。

2

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