ベクトルの外積（１０）

以下は、ここをクリックした先の問題の解答です。
 
【問】以下の図で三角錐ＯＡＣＢと三角錐ＯＡＣＤがある。直線ＢＤと面ＯＡＣの交点をＥとする。この場合に、比ｓ＝ＢＥ／ＢＤを求めよ。

【解答】
　この問題はベクトル方程式を立てて解くことができます。そのベクトル方程式を解くことができる実力は必要です。しかし、ベクトル方程式を解くには時間を必要とします。
　以下では、ベクトルの外積を利用して、ベクトル方程式の解を一気に計算します。

（解答おわり）

上の解は、込み入った式ですので、ベクトル方程式を解いて解を求めた場合でも、その解を、上の式のようにベクトルの内積の形で表現した方が分かりやすくて良いと思います。

（おまけ）以下の関係があります。

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ベクトル：平行平面の利用

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【問】以下の図の直線ＭＮと直線ＦＬの交点があれば、その交点Ｐを求めよ。

【解答】

（解答おわり）

　このような空間中の直線同士が交差するかどうかの判定問題は、上図のように、平行平面（面ＣＦＥと面ＤＢＡ）を利用すると分かりやすくなります。

（覚えるポイント）
　交差する２直線は同一平面上にあります。
　そのため、その２直線が平行平面と交差する点同士を結んで作ったベクトルの方向は、平行する２平面では、同じ方向になります。
　２つの空間直線が面と交差する２点を結んで作ったベクトルの方向が、２つの平行平面で異なる方向を向いたならば、その２直線は交差しません。

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ベクトルの外積で面の法線ベクトルを求める

以下は、ここをクリックした先の問題の解答です。

【問】以下の図で直線ＢＣと直線ＯＧが交差する場合のパラメータｂの値を求め、その場合の交点Ｈの座標を求めよ。




【解１】
　空間直線の交点を求める問題は、いきなり２直線のベクトル方程式を立て、それを無理やり解くのは、計算の見通しが良くないので止めましょう。
　空間直線の交点を求める問題を解く場合は、先ず、交差する２直線が乗る平面の法線ベクトルを計算しましょう。
　そして、直線をその法線ベクトルに直交させる条件を求めることで、その２直線が交点を持つ条件を確定させて計算することが大切です。
　この法線ベクトルは、平面上のベクトルの外積を計算して求めます。
　先ず、以下のようにして、面ＯＢＣの法線ベクトルＶを計算します。

　次に、この法線ベクトルＶにベクトルＧが直交する条件を求めます。法線ベクトルＶにベクトルＧが直交するなら、直線ＯＧは面ＯＢＣ上にあり、直線ＢＣと交わります。

これで、直線ＢＣと直線ＯＧが交差する場合のパラメータｂの値が求まったので、以下のようにして、この値をベクトルＧの式に代入してベクトルＧを定めます。

ベクトルＧも定まったので、以下のようにベクトル方程式を立てて交点Ｈを求めます。
　その際に、空間ベクトルをＹＺ平面に射影して、その射影を見て計算します。
（その理由）
　同一平面上にある空間直線同士の交点を求める方程式は２つで十分であり、３次元ベクトルの計算で出てくる３つの方程式では方程式が１つ余分だから、射影を利用して、その余分な方程式を減らすためです。 

 

（解１おわり）

【解２】
　面ＯＢＣを水平面であると考え、点Ｇの水平面ＯＢＣ上の高さを０にする条件を求めて、解を得ることにします。
（面ＯＢＣを水平面と考えて計算するので、計算の見通しの立て方が解１と同様です。）
　点ＧをベクトルＢＣの方向に移動しても、その点の水平面ＯＢＣに対する高さは変わりません。そのため、先ず、ベクトルＯＢからベクトルＢＣの所定倍数のクトルを引き算して、水平面ＯＢＣからの高さが同じベクトルを計算します。この計算では、ベクトルのｙ成分が０になるベクトルを残すようにします。

次に、そのベクトルから、ベクトルＯＣの所定倍数のクトルを引き算して、水平面ＯＢＣからの高さが同じベクトルを計算します。この計算では、ベクトルのｚ成分も０になるベクトルを残すようにします。

このベクトルの、水平面ＯＢＣからの高さが０になる条件は、このベクトルが０ベクトルになることです。その条件は、残ったベクトルのｘ成分が０になることであって、以下の計算で求められます。

これで、直線ＢＣと直線ＯＧが交差する場合のパラメータｂの値が求まったので、以下のようにして、この値をベクトルＧの式に代入してベクトルＧを定めます。

このあとの計算は、解１と同じ計算をします。
（解２おわり）

　ここで、賢明な読者は気付かれたと思いますが、ベクトルOＧを平面OＢＣ上に定めた時点で、もうベクトル方程式を使わないでも交点Ｈの答えが得られるようになっています。
　すなわち、この問題では、直線ＢＣはＺ＝１の平面上にありますから、ベクトルOＧのＺ座標が１になるようにベクトルOＧを９倍すれば、交点Ｈの位置ベクトルが得られます。
　見通しの良い計算をすれば、単純な問題はこのように単純に解けるようになり、計算時間を節約できる効果があります。

【解３】
　解３は、ベクトルの外積を用いない解き方ですが、以下のように解くこともできます。

　先ず、直線ＢＣと直線ＯＧが交差する場合は、ベクトルＢＣとベクトルＯＧとそして、ベクトルＯＢが同一平面上にあります。その条件を使って以下のように解くことができます。

ベクトルＢＣとベクトルＯＧとベクトルＯＢは以下の式であらわせます。

そして、ベクトルＯＢとベクトルＢＣとベクトルＯＧが同一平面上にある条件は以下の式であらわせます。

この式(4)を以下のように解きます。

これで、直線ＢＣと直線ＯＧが交差する場合のパラメータｂの値が求まったので、以下のようにして、この値をベクトルＧの式に代入してベクトルＧを定めます。

このあとの計算は、解１と同じ計算をします。
（解３おわり）

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