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2022年7月27日

合成ベクトルの内積

|a+b|2=|a|2+2ab+|b|2|a+b|2=|a|2+2ab+|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)pq=p1q1+p2q2p=(p1,p2),q=(q1,q2)pq=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+2ab+|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+2ab+|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)=ac+ad+bc+bd(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)=ac+ad+bc+bd
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+2ab+|b|2|a+b|2=|a|2+2ab+|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
pp=|p||p|cos0=|p|2(cos0=1)pp=|p||p|cos0=|p|2(cos0=1)
となり、(1)(1)
(a+b)(a+b)=aa+2ab+bb(a+b)(a+b)=aa+2ab+bb
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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