|→a+→b|2=|→a|2+2→a⋅→b+|→b|2|⃗a+⃗b|2=|⃗a|2+2⃗a⋅⃗b+|⃗b|2
となることを確かめてみます。
→a=(a1,a2),→b=(b1,b2)⃗a=(a1,a2),⃗b=(b1,b2)とすると
→a+→b=(a1,a2)+(b1,b2)=(a1+b1,a2+b2)⃗a+⃗b=(a1,a2)+(b1,b2)=(a1+b1,a2+b2)
ベクトルの内積の性質より
|→a+→b|2=(→a+→b)⋅(→a+→b)|⃗a+⃗b|2=(⃗a+⃗b)⋅(⃗a+⃗b)
だから、成分から内積を求める公式
→p=(p1,p2),→q=(q1,q2)のとき→p⋅→q=p1q1+p2q2⃗p=(p1,p2),⃗q=(q1,q2)のとき⃗p⋅⃗q=p1q1+p2q2
をもちいると
|→a+→b|2=(a1+b1)2+(a2+b2)2=(a12+2a1b1+b12)+(a22+2a2b2+b22)=(a12+a22)+2(a1b1+a2b2)+(b12+b22)=|→a|2+2→a⋅→b+|→b|2|⃗a+⃗b|2=(a1+b1)2+(a2+b2)2=(a12+2a1b1+b12)+(a22+2a2b2+b22)=(a12+a22)+2(a1b1+a2b2)+(b12+b22)=|⃗a|2+2⃗a⋅⃗b+|⃗b|2
また、→a=(a1,a2),→b=(b1,b2),→c=(c1,c2),→d=(d1,d2)⃗a=(a1,a2),⃗b=(b1,b2),⃗c=(c1,c2),⃗d=(d1,d2)の4ベクトルをもちいて(→a+→b)⋅(→c+→d)(⃗a+⃗b)⋅(⃗c+⃗d)がどうなるかを調べてみると
→a+→b=(a1+b1,a2+b2)→c+→d=(c1+d1,c2+d2)⃗a+⃗b=(a1+b1,a2+b2)⃗c+⃗d=(c1+d1,c2+d2)
であるから
(→a+→b)⋅(→c+→d)=(a1+b1)(c1+d1)+(a2+b2)(c2+d2)=(a1c1+a1d1+b1c1+b1d1)+(a2c2+a2d2+b2c2+b2d2)=(a1c1+a2c2)+(a1d1+a2d2)+(b1c1+b2c2)+(b1d1+b2d2)=→a⋅→c+→a⋅→d+→b⋅→c+→b⋅→d(⃗a+⃗b)⋅(⃗c+⃗d)=(a1+b1)(c1+d1)+(a2+b2)(c2+d2)=(a1c1+a1d1+b1c1+b1d1)+(a2c2+a2d2+b2c2+b2d2)=(a1c1+a2c2)+(a1d1+a2d2)+(b1c1+b2c2)+(b1d1+b2d2)=⃗a⋅⃗c+⃗a⋅⃗d+⃗b⋅⃗c+⃗b⋅⃗d
このように2つの二項式の積
(a+b)(c+d)=ac+ad+bc+bd(a+b)(c+d)=ac+ad+bc+bd
に似た式で表すことができます。
改めて
|→a+→b|2=|→a|2+2→a⋅→b+|→b|2|⃗a+⃗b|2=|⃗a|2+2⃗a⋅⃗b+|⃗b|2(1)
について見ると、ベクトルの内積の定義より同じベクトル同士の内積はなす角が00であるから
→p⋅→p=|→p||→p|cos0=|→p|2(∵cos0=1)⃗p⋅⃗p=|⃗p||⃗p|cos0=|⃗p|2(∵cos0=1)
となり、(1)(1)は
(→a+→b)⋅(→a+→b)=→a⋅→a+2→a⋅→b+→b⋅→b(⃗a+⃗b)⋅(⃗a+⃗b)=⃗a⋅⃗a+2⃗a⋅⃗b+⃗b⋅⃗b
と書け、二項式の2乗
(a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)2=a2+2ab+b2
に似た式となります。
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