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2022年2月20日

角の二等分ベクトルはどうやって求める?

 角の二等分ベクトルはどのように求めるのでしょうか?


角の二等分ベクトルを角の二等分線の作図法を参考に2通りの方法で求めてみます。
ベクトルaとベクトルb
2つの異なるベクトル\vec{a},\vec{b}について考えます。
角の二等分線の作図法を参考にすると、まずは大きさが同じで\vec{a},\vec{b}とそれぞれ向きが同じであるベクトルをおく必要があります。

したがって、\vec{a},\vec{b}それぞれの単位ベクトル\dfrac{\vec{a}}{|\vec{a}|},\dfrac{\vec{b}}{|\vec{b}|}をおきます。各ベクトル自身の大きさで割っている(実数倍している)ので各単位ベクトルの向きはそれぞれ\vec{a},\vec{b}と同じで大きさは1になります。

ここから2通りの方法で求めてみます。

1. 二等辺三角形の利用

単位ベクトルの差
2つの単位ベクトルの差は\dfrac{\vec{a}}{|\vec{a}|}-\dfrac{\vec{b}}{|\vec{b}|}と書けます。
\dfrac{\vec{a}}{|\vec{a}|},\dfrac{\vec{b}}{|\vec{b}|},\dfrac{\vec{a}}{|\vec{a}|}-\dfrac{\vec{b}}{|\vec{b}|}の3ベクトルによって二等辺三角形ができ、\vec{a},\vec{b}の始点である頂点からのびる中線は垂直二等分線であり、かつ求める角の二等分線(角の二等分ベクトル)です。

単位のベクトルと角の二等分ベクトル
このことから、角の二等分ベクトル\vec{p}\vec{b}\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{\vec{a}}{|\vec{a}|}-\dfrac{\vec{b}}{|\vec{b}|}\right)の合成で表されるので
\begin{align*}\vec{p}&=\vec{b}+\frac{1}{2}\left(\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|}-\frac{\vec{b}}{|\vec{b}|}\right)\\[0.5em]&=\frac{\vec{a}}{2|\vec{a}|}+\frac{\vec{b}}{2|\vec{b}|}\\[0.5em]&=\frac{1}{2}\left(\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|}+\frac{\vec{b}}{|\vec{b}|}\right)\end{align*}
実数倍したベクトルも元のベクトルと向きは同じなので係数を1にするために2倍した角の二等分ベクトル\vec{\text{P}}
\begin{align*}\vec{\text{P}}&=2\vec{p}\\[0.5em]&=\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|}+\frac{\vec{b}}{|\vec{b}|}\end{align*}
となります。

2. ひし形の利用

単位ベクトルと角の二等分ベクトル
\vec{a}の単位ベクトルの終点に\vec{b}の単位ベクトルを移動、あるいは\vec{b}の単位ベクトルの終点に\vec{a}の単位ベクトルを移動させます。
すると、2つの単位ベクトルの和はひし形の対角線にあたります。ひし形の対角線は2つの単位ベクトルのなす角の二等分線であるので、角の二等分ベクトル\vec{\text{P}}
\vec{\text{P}}=\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|}+\frac{\vec{b}}{|\vec{b}|}
となります。

 以上から、2つの異なるベクトル\vec{a},\vec{b}の角の二等分ベクトルは
\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|}+\frac{\vec{b}}{|\vec{b}|}
で求められることがわかりました。

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