平面に関連した問題

平面に関連した問題

■問題

3 A ( 3 , 1 , 0 ) B ( 2 , 0 , 1 ) C ( 0 , 1 , 1 ) がある.以下の問に答えよ.

(1) AB AC を求めよ.

(2) BAC = θ とする. cos θ の値を求めよ.

(3) AB に平行で大きさが 1 のベクトル a を求めよ.

(4) 2 A B を通る直線の方程式を求めよ.

(5) AB × AC を求めよ.

(6) 3 A B C を通る平面の方程式を求めよ.

(7) ABC の面積を求めよ.

■解説動画

(1),(2)の解説

(3)の解説

(4)の解説

(5)の解説

(6)の解説

(7)の解説

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■答

(1)

原点を O とする.

AB = AO + OB = OA + OB = OB OA = 2 , 0 , 1 3 , 1 , 0 = 1 , 1 , 1

AC = AO + OC = OA + OC = OC OA = 0 , 1 , 1 3 , 1 , 0 = 3 , 0 , 1

(2)

cos θ = AB · AC | AB | | AC |   (内積を参照)

= 1 × ( 3 ) + ( 1 ) × 0 + 1 × 1 ( 1 ) 2 + ( 1 ) 2 + 1 2 · ( 3 ) 2 + 1 2

= 3 + 1 3 · 10 = 4 30

= 4 30 30

= 2 30 15

(3)

ベクトルの平行単位ベクトルを参考にする.

AB = 1 2 + 1 2 + 1 2 = 3

a = ± AB AB = ± 1 3 ( 1 , 1 , 1 ) = ± ( 1 3 , 1 3 , 1 3 ) = ± ( 3 3 , 3 3 , 3 3 )

(4)

空間における直線の方程式を参照する.

A を通り,方向ベクトルが AB である直線の方程式は

x 3 1 = y 1 1 = z 1    x + 3 = y + 1 = z ・・・・・・(i)

あるいは,点 B を通り,方向ベクトルが AB である直線の方程式は

x 2 1 = y 1 = z 1 1    x + 2 = y = z 1 ・・・・・・(ii)

(i)の各辺に 1 を加えると(ii)になる.同じ直線でもいろいろな方程式が成り立つ.

(5)

外積の計算の仕方を参照する.

AB = ( 1 , 1 , 1 )

AC = ( 3 , 0 , 1 )

AB × AC = ( ( 1 ) · 1 1 · 0 , 1 · ( 3 ) ( 1 ) · 1 , ( 1 ) · 0 ( 1 ) · ( 3 ) ) = ( 1 , 2 , 3 )

行列式を用いた外積の計算を以下に示す.

AB × AC = i j k 1 1 1 3 0 1

= 1 1 0 1 i 1 1 3 1 j + 1 1 3 0 k

= 1 1 1 0 i 1 1 1 3 j + 1 0 1 3 k

= i 2 j 3 k

= 1 , 2 , 3

(6)

平面の方程式を参照する.

法線ベクトルは,外積の定義より AB × AC である.

A を通り,法線ベクトルが 1 , 2 , 3 の場合の計算

1 ( x 3 ) 2 ( y 1 ) 3 z = 0

x + 3 2 y + 2 3 z = 0

x 2 y 3 z + 5 = 0

x + 2 y + 3 z 5 = 0

B を通り,法線ベクトルが 1 , 2 , 3 の場合の計算

1 ( x 2 ) 2 y 3 ( z 1 ) = 0

x + 2 2 y 3 z + 3 = 0

x 2 y 3 z + 5 = 0

x + 2 y + 3 z 5 = 0

(7)

外積の定義を参照すると, ABC の面積を S とすると

S = 1 2 | AB × AC |

である.よって

S = 1 2 ( 1 ) 2 + ( 2 ) 2 + ( 3 ) 2 = 1 2 1 + 4 + 9 = 14 2

また,角度 θ を使うと

S = 1 2 AB AC sin θ

である.

sin θ = 1 cos 2 θ = 1 2 30 15 2 = 1 4 30 15 2 = 1 4 2 15 = 7 15

AB = 1 2 + 1 2 + 1 2 = 3

AC = 3 2 + 0 2 + 1 2 = 10

よって

S = 1 2 3 10 7 15 = 14 2

ヘロンの公式

S= s sa sb sc

を使うと

a = BC = 2 2 + 1 2 + 0 2 = 5

BC = BO + OC = OC OB = 0 , 1 , 1 2 , 0 , 1 = 2 , 1 , 0

b = AC = 10

c = AB = 3

s = 1 2 a + b + c = 1 2 5 + 10 + 3

s a = 1 2 5 + 10 + 3 5 = 1 2 5 + 10 + 3

s b = 1 2 5 + 10 + 3 10 = 1 2 5 10 + 3

s c = 1 2 5 + 10 + 3 3 = 1 2 5 + 10 3

s s a = 1 2 5 + 10 + 3 1 2 5 + 10 + 3

= 1 4 5 + 5 2 + 15 5 2 + 10 + 30 15 + 30 + 3

= 1 4 8 + 2 30

= 1 2 4 + 30

s b s c = 1 2 5 10 + 3 1 2 5 + 10 3

= 1 4 5 + 5 2 15 5 2 10 + 30 + 15 + 30 3

= 1 4 8 + 2 30

= 1 2 4 + 30

s s a s b s c = 1 2 4 + 30 1 2 4 + 30 = 1 4 16 + 30 = 7 2

よって

S = 7 2 = 14 2

となる.

 

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最終更新日: 2026年2月7日