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ベクトルの内積★★☆高校 ・ 数II・B・C

ベクトルの内積となす角

問題

平面上のベクトル a⃗,b⃗\vec{a}, \vec{b} が ∣a⃗∣=3|\vec{a}|=3, ∣b⃗∣=2|\vec{b}|=2, ∣a⃗+b⃗∣=19|\vec{a}+\vec{b}|=\sqrt{19} を満たすとき、次の問いに答えよ。

(1) a⃗⋅b⃗\vec{a}\cdot\vec{b} の値を求めよ。

(2) a⃗\vec{a} と b⃗\vec{b} のなす角 θ\theta (0∘≤θ≤180∘0^\circ \le \theta \le 180^\circ) を求めよ。

(3) a⃗+tb⃗\vec{a}+t\vec{b} と a⃗−b⃗\vec{a}-\vec{b} が垂直になるような実数 tt の値を求めよ。

解答

(1) a⃗⋅b⃗=3\vec{a}\cdot\vec{b} = 3 (2) θ=60∘\theta = 60^\circ (3) t=6t = 6

解説

(1) ∣a⃗+b⃗∣2=∣a⃗∣2+2a⃗⋅b⃗+∣b⃗∣2|\vec{a}+\vec{b}|^2 = |\vec{a}|^2 + 2\vec{a}\cdot\vec{b} + |\vec{b}|^2 より 19=9+2a⃗⋅b⃗+419 = 9 + 2\vec{a}\cdot\vec{b} + 4 2a⃗⋅b⃗=62\vec{a}\cdot\vec{b} = 6 a⃗⋅b⃗=3\vec{a}\cdot\vec{b} = 3

(2) cos⁡θ=a⃗⋅b⃗∣a⃗∣∣b⃗∣=33×2=12\cos\theta = \dfrac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{|\vec{a}||\vec{b}|} = \dfrac{3}{3\times 2} = \dfrac{1}{2} 0∘≤θ≤180∘0^\circ \le \theta \le 180^\circ の範囲で cos⁡θ=12\cos\theta = \dfrac{1}{2} を満たすのは θ=60∘\theta = 60^\circ

(3) 垂直条件より (a⃗+tb⃗)⋅(a⃗−b⃗)=0(\vec{a}+t\vec{b})\cdot(\vec{a}-\vec{b}) = 0 展開すると ∣a⃗∣2−a⃗⋅b⃗+t a⃗⋅b⃗−t∣b⃗∣2=0|\vec{a}|^2 - \vec{a}\cdot\vec{b} + t\,\vec{a}\cdot\vec{b} - t|\vec{b}|^2 = 0 数値を代入して 9−3+3t−4t=09 - 3 + 3t - 4t = 0 6−t=06 - t = 0 t=6t = 6

自己採点

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