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まず“式カード”で要点をつかむ

\[ \mathbf a\cdot \mathbf b = \lVert \mathbf a\rVert \,\lVert \mathbf b\rVert \cos\theta = a_x b_x + a_y b_y \,(+\, a_z b_z) \]

意味:二つのベクトルの“向きの近さ”を測るスカラー。角度 θ と大きさに依存。

単位:各成分の単位が掛け合わさる(例:m×NN·m)。

化学の例:モーメント(\mathbf r\cdot \mathbf F ではなく、しばしば仕事 W=\mathbf F\cdot \mathbf s)など。

\[ \mathbf a\times \mathbf b = \begin{pmatrix} a_y b_z - a_z b_y \\ a_z b_x - a_x b_z \\ a_x b_y - a_y b_x \end{pmatrix},\quad \lVert \mathbf a\times \mathbf b\rVert = \lVert \mathbf a\rVert \,\lVert \mathbf b\rVert \sin\theta \]

意味:二つのベクトルが張る平行四辺形の面積と、右ねじに従う向きを与えるベクトル。

単位:やはり掛け算(例:m×NN·m)。

化学の例:磁気モーメントと磁場のトルク \boldsymbol{\tau}=\boldsymbol{\mu}\times\mathbf B 等。

\[ \mathrm{proj}_{\mathbf b}\,\mathbf a = \frac{\mathbf a\cdot \mathbf b}{\lVert \mathbf b\rVert^2}\,\mathbf b,\qquad \mathbf a = \mathbf a_{\parallel} + \mathbf a_{\perp} \]

意味:\(\mathbf a\)\(\mathbf b\) に沿う成分と直交成分に分ける。

注意:\(\log\) と異なり、射影は元の単位を保つ(比率は無次元)。

操作のヒント:式カードはクリック/Enterで拡大表示できます(数式をさらに大きく)。

ベクトルの基本

内容ポイント化学での例
大きさ \( \lVert \mathbf a\rVert = \sqrt{a_x^2 + a_y^2 \,(+ a_z^2)} \) 単位は成分と同じ 変位、速度、力の大きさ
角度 \( \cos\theta = \dfrac{\mathbf a\cdot \mathbf b}{\lVert \mathbf a\rVert \lVert \mathbf b\rVert} \) 単位は相殺(無次元) 配向、配列角度
2D外積 \( [\mathbf a\times\mathbf b]_z = a_x b_y - a_y b_x \) 符号付き面積(右ねじ) 面の向き、回転向き
混合積 \( \mathbf a\cdot(\mathbf b\times\mathbf c) \) 体積(符号付き) 立体配置の向き

単位の注意:内積・外積は次元が掛け合わさる量です。例:r[m]F[N]N·m

2Dベクトルの可視化(内積・角度・射影)

成分を入れて「描画」。角度・内積・射影・和/差を自動計算します(単位は自由ですが、同じ系で統一)。

ベクトル A
ベクトル B

3D 外積(面積・直交性)

\(\mathbf a\times\mathbf b\) と \(|\mathbf a\times\mathbf b|\) を計算し、直交性(\((\mathbf a\times\mathbf b)\cdot\mathbf a=0\) 等)を確認します。

面積は |a×b|(平行四辺形)。直交性:(a×b)·a = (a×b)·b = 0

練習問題(解答はクリックで表示)

Q1:\(\mathbf a=(2,1)\)、\(\mathbf b=(1,2)\)。\(\mathbf a\cdot\mathbf b\)、角度 \(\theta\) を求めよ。

A:\(\mathbf a\cdot\mathbf b=4\)。\(\cos\theta=4/(\sqrt{5}\sqrt{5})=0.8\) → \(\theta\approx36.87^\circ\)。

Q2:\(\mathbf a=(1,0,0)\)、\(\mathbf b=(0,1,0)\)。\(\mathbf a\times\mathbf b\) と面積。

A:\(\mathbf a\times\mathbf b=(0,0,1)\)、面積 \(=1\)。

Q3:\(\mathbf a=(3,4)\) を \(\mathbf b=(1,0)\) に射影したベクトル。

A:\(\mathrm{proj}_{\mathbf b}\mathbf a = \dfrac{3}{1}\,(1,0)=(3,0)\)。