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ベクトルと行列参考資料 3( 演習問題解答 )

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Academic year: 2021

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(1)

ベクトルと行列 参考資料 3 ( 演習問題解答 )

2020

年度第

2

ターム 学芸学部数学科

1

(

木曜

3,4

/

オンライン講義

)

担当

:

原 隆

(

学芸学部数学科・准教授

)

■演習問題解答   演習問題

3-1.

(1)(

) 1

のベクトル方程式は

p=



 2

1 3



+t



2 1 6



 (t

は実数

)

で与えられる。

(

) p=



x y z



と表して、各成分を比較すると

1

のパラメータ表示



x= 22t y=1 +t z= 3 + 6t

(t

は実数

)

を得る。パラメータ

t

を消去して、

1

の方程式は

1: −x+ 2

2 =y+ 1 = z−3 6

である。

(2)(

) Π1

のベクトル方程式は

p=



 0 2 1



+s



 4

1 2



+t



 0 5

−2



 (s, t

は実数

)

で与えられる。

(

) p=



x y z



と表して、各成分を比較すると

Π1

のパラメータ表示



x= 4s

y= 2−s+ 5t z= 1 + 2s2t

(s, t

は実数

)

を得る。パラメータ

s, t

を消去して、

Π1

の方程式は

Π1: 2x2y5z+ 9 = 0

である

*1

*1もちろんΠ1の法線ベクトルを

4

1 2

×

0 5

2

によって計算してΠ1の方程式を導出しても良い。

(2)

(3) 2

の方向ベクトル

(

つまり

3

と平行なベクトル

)

として

Π1

の法線ベクトルが取れることに 注意。

Π1

の法線ベクトルは、外積を用いて



 4

1 2



×



 0 5

2



 =



8 8 20



//



 2

2

5



と計算出来

*2

(

) 2

のベクトル方程式は

p=



 0 2 1



+t



 2

−2

5



 (t

は実数

)

で与えられる。

(

) p=



x y z



と表して、各成分を比較すると

2

のパラメータ表示



x= 2t y = 22t z= 15t

(t

は実数

)

を得る。パラメータ

t

を消去して、

2

の方程式は

2: x

2 = −y+ 2

2 = −z+ 1 5

である。

(4)(

) Π2

上の点

(x, y, z)

は、ベクトル方程式

 2

1 1

·



x y z

2 1 0



= 0

を満たす。

(

) (

)

を整理すると、

Π2

の方程式

Π2: 2x−y+z=5

を得る。

(5) a=



1 2

−3





 3 4 5



=



4

2

−8



,b=



 7

1 3





 3 4 5



=



 4

5

−2



とおくと、

Π3

a×b=

4

2

−8

×

 4

5

−2

=

36

40 28

//

 9 10

−7

と直交して、点

(3,4,5)

を通る平面である。

(

) Π3

上の点

(x, y, z)

はベクトル方程式

 9 10

7

·



x y z

3 4 5



= 0

を満たす。

*2(2)の答えの2x2y5z+ 9 = 0に於けるx,y,zの係数から、法線ベクトルを読み取っても良い(3.3を参照)

(3)

(

)

これを整理して

Π3: 9x+ 10y7z= 32

を得る

*3

(6) 3

の方向ベクトル

(

つまり

3

と平行なベクトル

)

として



 1 6 13





 3 5 7



=



2 1 6



が取れるこ とに注意。

(

) 3

のベクトル方程式は

p=



 3 5 7



+t



2 1 6



 (t

は実数

)

で与えられる。

(

) p=



x y z



と表して、各成分を比較すると

3

のパラメータ表示



x= 32t y= 5 +t z= 7 + 6t

(t

は実数

)

を得る。。パラメータ

t

を消去して、

3

の方程式は

3: −x+ 3

2 =y−5 = z−7 6

である。

(7) :x−1 = −y+ 1

2 = z−1

3 =t

とおいて整理すると、

のパラメータ表示

x y z

=

1 1 1

+t

 1

−2 3

を得る。したがって

の方向ベクトルは



 1

2 3



である。

(

)

平面

Π4

の方向ベクトル



 1

2 3



と直交し、点

(1,1,1)

を通る平面に他ならないた め、

Π4

上の点

(x, y, z)

はベクトル方程式

 1

2 3

·



x y z

1 1 1



= 0

を満たす。

(

) (

)

より、

Π4

の方程式は、

Π4:x−2y+ 3z= 2

となる。

*3もちろんa,bを用いたΠ3のパラメータ表示からΠ3 の方程式を導き出しても良い。

(4)

演習問題

3-2.

(1)(

) S1

のベクトル方程式は

p



 3 2 1



= 3 · · ·(∗)

で与えられる。

(

) p=



x y z



と表すと、

() p

3 2 1

2

= 32

x−3 y−2 z−1

2

= 9

S1: (x3)2+ (y2)2+ (z1)2= 9 .

(2) S2

の半径が



 3 5 3





 2 3 4



 =

6

であることに注意。

(

) S2

のベクトル方程式は

p



 2 3 4



 =

6 · · ·(∗∗)

で与えられる。

(

) p=



x y z



と表すと、

(∗∗) p

 2 3 4v

2

= 62

x−2 y−3 z−4

2

= 6

S2: (x2)2+ (y3)2+ (z4)2= 6 .

(3) S3

xy

平面と接するので、半径は点

(−1,3,2)

xy

平面との距離である

2

であることに 注意。

(

) S3

のベクトル方程式は

p



1 3 2



= 2 · · ·(∗ ∗ ∗)

で与えられる。

(5)

(

) p=



x y z



と表すと、

(∗ ∗ ∗) p

1 3 2v

2

= 22

x+ 1 y−3 z−2

2

= 4

S3: (x+ 1)2+ (y3)2+ (z2)2= 4 .

【講評】 直線、球面、平面のベクトル方程式に関する問題。

(3), (7)

が他のものよりも少し難易度が 高めの問題で、これらの問題にどう立ち向うかが腕の見せ所だったのですが、残念ながらそれ以外の 問題も含めて正答率は高くはありませんでした

(

そもそもレポート提出総数自体が非常に低かったで す

)

。特に

(1), (2), (4)

は講義で扱った例題の数値を変えた だけ の問題だったので、これらの問題 を間違えた人は ベクトル方程式の理解が追いついていない危険性が高い と言えます。これらの問題 を間違えた人は、講義ノートやテキストの

§ 1.6. (

特に

p. 27, 28, 30, 31, 33)

を中心に 必ず よく 復習しておいてください。既にアナウンスしたように、学期末考査では 直線 および 平面 の方程式 を求めさせる問題 は ほぼ

100%

出題されます。

講義でも強調した様に、直線や平面の

(

ベクトル

)

方程式を求める際には どの 情報 が必要とな るか を整理しておく必要があります。より具体的には

babababababababababababababababababab

直線

:

通る点 の情報と 方向ベクトル

(

その直線と平行なベクトル

)

の情報 平面

:

通る点 の情報と

(

平行でない

)

平面上の

2

ベクトル の情報

または

通る点 の情報と 法線ベクトル の情報

(

その平面と直交ベクトル

)

の情報

が必須です。このうち、問題文を見れば分かるように 通る点の情報は殆どの場合 問題文中で 与え られている ので、あとは 方向ベクトル

(

直線の場合

)

法線ベクトル

(

平面の場合

)

を問題文で与え られた条件から求めることが要求されるわけです。このように、常に 何を求めれば、問われている 直線・平面の方程式が立てられるのか という問題意識を常に明確に持ちながら問題演習を行ってゆ けば、この程度のベクトル方程式の問題は 必ず 解けるようになります。レポート問題で間違えた 問題やテキストの 演習問題

1-A [5]

を中心に様々な問題を解いてみて、ベクトル方程式の問題に早く 慣れるようにしましょう。

以下個別の設問の講評です。

(6)

演習問題

3-1.

(1)

良く出来ていましたが、

1

の方程式を

ax+by+cz=d

のように一つの式に纏めてしまってい る答案も見られました。ひとつの等式

(

ひとつの

=)

で纏められるものは 平面のみ である ことに注意しよう。

(2)

こちらも良く出来ていましたが、 パラメータ

s, t

の消去 での計算ミスが続出しました。結構 しょぼい計算ミスをしやすいところではありますので、パラメータ消去の計算は慎重に。

また、なぜか平面上のベクトルとして

 4

1 2

0 2 1

=

 4

3 1

,

 0 5

−2

0 2 1

=

 0 3

−3

を用いている答案も目立ちました。きちんと問題文を読むように心掛けよう。

(3)

やや難。

2

の方向ベクトル を求められるかが鍵。ただ

Π1

の法線ベクトルが

2

の方向ベクト ルである ことにさえ気付けばそれほど難しくはないはず。

Π1

の法線ベクトルは 外積



 4

1 2



×



 0 5

−2



で計算出来るのでした。そこまではきちんと理 解しているのに、外積の

y

成分の 符号が違っている答案 が目立ちました。講義でも散々注意 したように 外積の計算で最も間違えやすいのが

y

成分の符号 です。間違えた人は、外積の計 算方法を誤解している危険性が高いので、もう一度よく復習しておいて下さい。

(4)

講義で扱った「平面のベクトル方程式 Ⅱ」の例題とほぼ同じ問題だったのですが、思ったよりも 出来が良くありませんでした。間違えた人は特に テキストの

p. 30, 31

の周辺を復習してお くこと

!

(5)

こちらも法線ベクトルを求める際の外積の計算ミスが目立ちました。「計算は丁寧に」を心掛け ましょうね。パラメータ表示を用いて計算していた人もいましたが、そちらの方はやはりパラ メータ消去の際に計算ミスをしているケースが多かったです。

3

点を通る平面の方程式は、非常に良い練習問題ですので、パラメータ表示を用いた方法 と 法線ベクトルを用いた方法 の 両方で 解けるようにしておきましょう。

(6)

方向ベクトルとして

1 6 13

3 5 7

=

2 1 6

が取れることに気付けば簡単。出来は比較的良かったです。上記のように方向ベクトルを求め る計算をせずに

p=

1 6 13

+t

2 1 6

などと答えた人は、 なぜ上記の引き算が必要なのかもう一度自分でとことん考え直して、そ

の上でテキストの 例題

1.88

を復習すること

!!

(7)

(7)

これが

(

定番だけど

)

一番の難問 。

Π4

の法線ベクトルが

の方向ベクトルとなっていること に気づけるか、そして

の方向ベクトルが求められるか がポイントとなります。

前者については図を描いたりして情報を整理すれば、割合簡単に気づけるのではないかと思い ます。後者に関しては、本問のように 直線の方程式をベクトル方程式の形に書き直して方向 ベクトルを求める ことはしばしば問われることがありますので、分からなかった人は良く復 習しておきましょう

(

テキストの 例

1.89

も参照

)

演習問題

3-2.

(3)

以外は非常に良く出来ていました。

(3)

は「

xy

平面と接する」という条件から「球の半径が

2

であることが読み取れるかが鍵

(

こちらもそれなりに正答率は高かったです

)

答案を見ていると、とかく情報が整理しきれずに混乱しているものが多いですが、図でも表でも自 分に分かりやすいものを用いて 情報を整理する 能力は数学に限らず社会で生き抜くためには必要 不可欠な能力です。今回の問題は、情報を整理する非常に良い演習になると思いますので、問題の中 で分からないものがあったら 先ずは問題文で与えられた情報を整理して、「何が分かれば問題が解け るか」を考察 してみてください。ここに挙げた問題は、きちんとデータを整理出来ればどれもこれ も簡単に解けるものばかりの筈です。

また、途中計算が読みとれない答案 や 答えのみの答案 も散見されました。社会に出たら 「誰が

見ても自分の考えが分かるような文章を書く」 ことは不可欠な能力です。レポートやテストの答案

も、そのための練習だと思って 他人が見ても分かる答案 を作ることを心掛けてください。テストの

際に、途中式の無いものや途中経過が読み取れないものは 減点対象 となります。

参照

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