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線形代数の、3次元空間での法線ベクトル、平面の方程式の問題を教えて下さい
この問題が分かりません
3 次元空間において次の問いに答えなさい.
(1) 原点を含む法線ベクトル
1
  2
-1
の平面S の方程式を求めなさい
(2) 点(4, 5, 2) から平面S に垂線Lを下ろす. 直線Lの方程式とLとS の交点を求めなさい
(3) 直線Lを含み点(0, 0, 0) も含む平面の方程式を求めなさい
という問題です。皆さんお願いします
教えて下さい

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A 回答 (2件)

(1) 原点を含む法線ベクトル(1,2,-1) の平面S の方程式を求めなさい


>ベクトルを↑で表し、法線ベクトルを↑N(1,2,-1)とする。
S上の任意の点を(x,y,z)とすると、原点(0,0,0)がS上の点なので、
↑(x,y,z)は↑N(1,2,-1)と直交する。
よって内積を↑・↑で表すと↑(x,y,z)・↑N(1,2,-1)=x+2y-z=0
x+2y-z=0・・・答
(2) 点(4, 5, 2) から平面S に垂線Lを下ろす. 直線Lの方程式とLとS の交点を求めなさい
>直線L上の任意の点を(x,y,z)とするとuを実数として
↑(4, 5, 2)-↑(x,y,z)=u↑N=u↑(1,2,-1)だから
4-x=u、5-y=2u→(5-y)/2=u、2-z=-u→z-2=u
よって直線の方程式は4-x=(5-y)/2=z-2・・・答
x+2y-z=0に4-x=(5-y)/2→y=2x-3、4-x=z-2→z=6-xを代入
x+2(2x-3)-(6-x)=6x-12=0、x=2、y=2*2-3=1、z=6-2=4
よってLとS の交点は(2,1,4)・・・答
(3) 直線Lを含み点(0, 0, 0) も含む平面の方程式を求めなさい
>3点(0,0,0)、(4,5,2)、(2,1,4)を含む平面上の任意の
点を(x,y,z)とすると、u,vを実数として
↑(x,y,z)=u↑(4,5,2)+v↑(2,1,4)
要素を比較してx=4u+2v(ア)、y=5u+v(イ)、z=2u+4v(ウ)
(ア)(イ)からu,vをx,yで表すとu=(2y-x)/6、v=(5x-4y)/6
これらを(ウ)に代入して
z=2u+4v=2{(2y-x)/6}+4{(5x-4y)/6}=(3x-2y)
よって、3x-2y-z=0・・・答
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この回答へのお礼

とてもよく分かりました。
有難うございます。
大いに助かりました

お礼日時:2015/01/22 19:08

(1) {(1, 2, -1)-(0, 0, 0)}・{(x, y, z)-(0, 0, 0)} = x + 2y - z = 0 (法線ベクトルの定義より)



(2) 交点の座標を (Lx, Ly, Lz) とすると

(Lx, Ly, Lz)-(4, 5, 2) = λ(1, 2, -1) (法線ベクトルに平行)
で Lx + 2Ly - Lz = 0

未知数4個、式4個なので解けます。

(3) (Lx, Ly, Lz) と (4, 5, 2) と (0, 0, 0) を通る方程式を
導けばよい。

(0, 0, 0) を通るから ax + by + cz = 0 に (Lx, Ly, Lz) と (4, 5, 2)
を代入して,
a, b, c の関係(比)を導けばよい。
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この回答へのお礼

ありがとうございます

お礼日時:2015/01/22 19:09

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Q法線ベクトルの基礎中の基礎

度々お世話になります。

直線のベクトル方程式とその法線ベクトルの関係で、
「直線ax+by+c=0において、n↑=(a,b)はその法線ベクトルである」との事ですが、このn↑=(a,b)というのは、成分表示ですから、n↑の始点を原点Oに取って、その終点の座標が(a,b)である、という捉えで良いのでしょうか。
例えば、次の基本的な問題

問 「二直線x+√(3)y-1=0…(1)、x-√(3)y+4=0…(2)について、
a,直線(1)(2)の法線ベクトルm↑、n↑のなす角θ。
b,二直線(1)(2)のなす鋭角α。
をそれぞれ求めよ」

を内積を使って計算だけで求めるのは教科書通りにやれば簡単に求まりますが、特に問題のbについて、自分で座標平面に作図してみたら、先の当方の捉え方ですと…
まず、n↑=(1,√(3))、m↑=(1,-√(3))ですから、これをそれぞれ始点を原点に取って、それぞれの座標通りに終点を取りますと、n↑が二直線(1)(2)の内部のm↑と交わらずII象限で交わってしまうのです。
解説を見たところ、bの問題は、円に内接する四角形の定理からαを求めているように見えるので、法線ベクトルn↑は四角形を作るように、m↑と交わらないと定理が成り立たない気がするのです。

という事は、n↑に限らず、法線ベクトルは、普通のベクトル同様に、位置は問題にせず、任意に平行移動しても良いということになるのでしょうか。
 計算間違いがあるかもしれないし、漠然とした内容の質問で申し訳ありませんが、アドバイス下さると有り難いです。
宜しくお願いします。

度々お世話になります。

直線のベクトル方程式とその法線ベクトルの関係で、
「直線ax+by+c=0において、n↑=(a,b)はその法線ベクトルである」との事ですが、このn↑=(a,b)というのは、成分表示ですから、n↑の始点を原点Oに取って、その終点の座標が(a,b)である、という捉えで良いのでしょうか。
例えば、次の基本的な問題

問 「二直線x+√(3)y-1=0…(1)、x-√(3)y+4=0…(2)について、
a,直線(1)(2)の法線ベクトルm↑、n↑のなす角θ。
b,二直線(1)(2)のなす鋭角α。
をそれぞれ求めよ」

を内積を使って計算だ...続きを読む

Aベストアンサー

こんばんわ。

方向ベクトルにしても、法線ベクトルにしても、
書かれているようなイメージでいいと思います。

方向ベクトルは考えている直線が進んでいく方向を表し、
法線ベクトルは考えている直線に対する垂線が進んでいく方向を表しており、
いずれも直線の方向を与えているだけです。

たとえば、直線の方程式が 2x+ 4y- 3= 0であれば、
法線ベクトルは n→= (2, 4)と表すことになりますが、
n→= (1, 2)としても「その進んでいく方向」は同じであり、これも法線ベクトルと言えます。
さらに、-1を乗じた n→= (-1, -2)も法線ベクトルと言えます。
値というよりも「比」がポイントなのです。


「なす角」を考える問題では、質問に書かれているとおり「平行移動」させて構いません。
2直線の交点となる点を原点まで平行移動させているイメージになります。


最後に「方向ベクトル」に関する過去の質問を参考URLとしてつけておきます。

参考URL:http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6229779.html

Q単位法線ベクトルの問題なんですが。。。

曲面 4x^2y+z^3 = 4 上の点P(1, -1, 2)における単位法線ベクトルnを求めよ.

という問題です.

他の質問を見てf = (x,y,z) = 4x^2y+z^3-4
とするのはわかったのですがgradfがわからないです。。。

Aベストアンサー

未消化のgrad fを使わなくても以下のように出来ます。
いずれにしてもただ丸写しするのではなく教科書や講義ノートや参考書など
を復習して基礎的なことを勉強して、理解するだけの自助努力が大切です。

f(x,y,z)=4(x^2)y+z^3-4=0

全微分して
 8xydx+4(x^2)dy+3(z^2)dz=0

点P(1,-1,2)の座標を代入
 -8dx+4dy+12dz=0
 4(-2,1,3)・(dx,dy,dz)=0
法線ベクトル:±(-2,1,3)
 |(-2,1,3)|=√(4+1+9)=√14
単位法線ベクトルn=±(-2,1,3)/√14

Q平面の交線の方程式

2平面の交線の方程式はどうやって求めるのですか?

例で適当に問題を作ってみたんで教えてください
x-y+3z-1=0,x+2y-z-3=0

どなたか教えていただけませんか?

Aベストアンサー

akatukinoshoujoさん、こんにちは。

>x-y+3z-1=0・・・・(1)
>x+2y-z-3=0・・・・(2)とおきましょう。
(1)(2)より、連立方程式を解いて、x、y、zをそれぞれどれか一つの文字で表していきます。

(1)×2 2x-2y+6z-2=0
(2)   x+2y-z-3=0
------------------------------これを足してみると
      3x+5z-5=0
      x=-5(z-1)/3・・・・(☆)

(1)   x-y+3z-1=0
(2)×3 3x+6y-3z-9=0
------------------------------これらを足し合わせると
      4x+5y-10=0
      4x=-5(y-2)
      x=-5(y-2)/4・・・・(★)

(☆)(★)より、yとzをxであらわせたので、つなげてみましょう。

x=-5(y-2)/4=-5(z-1)
もうちょっと整理すると、
x/5 =(y-2)/-4 =(z-1)/-3
となって、これは(0,2,1)を通り、方向ベクトルが(5,-4,-3)の
直線になることを示しています。


方程式が2つあるので、どれか一つの文字で表して、つなげてみるといいですね。
頑張ってください!!

akatukinoshoujoさん、こんにちは。

>x-y+3z-1=0・・・・(1)
>x+2y-z-3=0・・・・(2)とおきましょう。
(1)(2)より、連立方程式を解いて、x、y、zをそれぞれどれか一つの文字で表していきます。

(1)×2 2x-2y+6z-2=0
(2)   x+2y-z-3=0
------------------------------これを足してみると
      3x+5z-5=0
      x=-5(z-1)/3・・・・(☆)

(1)   x-y+3z-1=0
(2)×3 3x+6y-3z-9=0
------------------------------これらを足し合わせると
   ...続きを読む

Q空間中における平面に垂直なベクトル(法線ベクトル)の求め方について

空間中における三角形PENにがあって、P(0,0,1),E(x,0,0),N(0,5,0)となっている。この三角形PENに垂直なベクトルのうちの一つの求め方をおしえてください。答えは(5,x,5x)ということです。できれば高等数学の範囲内でおねがいします(外積等を利用せずに・・・
)。

Aベストアンサー

>なぜ「c≠0」なのですか?

最後にc/x、c/5、cをcで割りたいのだけど、0で割ることはできま
せんので、cが0になるかどうか確認します。
関係式 a=c/x,b=c/5にc=0を代入するとa=b=c=0と
なり、垂直なベクトルが(0,0,0)となってしまうので、c≠0
が言え、cで割ることが可能になります。
文字で割るときには、0でないことの確認は大切です。

Q何故偏微分が法線の成分に

 関数f(x,y,z)=0という曲面があって曲面上のある点Pの接平面を求めるとき
 Fx*X'+Fy*Y'+Fz*Z=0という式が出ます。
この式の意味するところはFx Fy FzがP点での法線ベクトルのx y z成分になるということらしいのですがよく理解出来ません。何故偏微分が法線ベクトルの成分になるのでしょうか?教えてください!

Aベストアンサー

>>斜面の勾配が最も急な向きは、(Fx, Fy) で与えられることは感覚的に納得できるでしょう。
>ここがよく分かりません。Fx=x-y平面でx方向のみ移動させた時のZの増加率になりますよね。何故これが法線ベクトルのx方向になるかが分かりません。

ここで言ったのは、(Fx,Fy)というベクトルが、"最大の勾配の方向"を与えるということです。
つまり、斜面にボールを置いたとき、-(Fx,Fy)の方向に転がるということです。
そして、"最大の勾配の方向"は等高線と垂直なはずだから、(Fx,Fy)は等高線の法線と同じ方向だと分かる。
ということなのですが、これで質問の回答になっているでしょうか…。

以下、(Fx,Fy)が"最大の勾配の方向"を与える理由を書きます。

F(x,y)を全微分すれば、
  dF = Fxdx + Fydy = (Fx,Fy)・(dx,dy)
よって,(dx,dy)が(Fx,Fy)と同一方向のとき dF は最大,すなわち (Fx,Fy) は"最大の勾配の方向"を与える.

イメージとしては次のような感じです。
F(x,y) = ax (x方向に傾いた板)では、(Fx,Fy) = (a,0) でx方向を向くベクトル。
F(x,y) = by (y方向に傾いた板)では、(Fx,Fy) = (0,b) でy方向を向くベクトル。
F(x,y) = ax+by (x方向とy方向の傾きを持つ板)では、(Fx,Fy) = (a,b) で斜面の方向を向くベクトル。(ノートか何かを傾けて確認してみるといいかもしれません)
微分可能な曲面は局所的には平面とみなせるから、(Fx,Fy) はその点での"最大の勾配の方向"を与えます。

ところで、ベクトル解析では(Fx,Fy)というベクトルを、grad F とか、∇F と書くのですが、ご存知ないでしょうか…。
もしご存知ないなら、私の説明は分かりにくいかもしれません。
参考までにwikipediaのURLの載せておきます。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8B%BE%E9%85%8D

参考URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8B%BE%E9%85%8D

>>斜面の勾配が最も急な向きは、(Fx, Fy) で与えられることは感覚的に納得できるでしょう。
>ここがよく分かりません。Fx=x-y平面でx方向のみ移動させた時のZの増加率になりますよね。何故これが法線ベクトルのx方向になるかが分かりません。

ここで言ったのは、(Fx,Fy)というベクトルが、"最大の勾配の方向"を与えるということです。
つまり、斜面にボールを置いたとき、-(Fx,Fy)の方向に転がるということです。
そして、"最大の勾配の方向"は等高線と垂直なはずだから、(Fx,Fy)は等高線の法線と同じ方...続きを読む

Q3次元座標2点からの直線式の求め方

お世話になります。

3次元座標2点からの直線式(ax+by+cz=0)の求め方を教えて下さい。

2次元座標であれば、1つの傾きから算出できるのですが、3次元座標になると、X-Y平面、Y-Z平面での傾きの使い方がこんがらかってしまいます。
基本的な質問で申し訳ありませんが、よろしくお願い致します。

座標1 = (x1,y1,z1)
座標2 = (x2,y2,z2)

以上

Aベストアンサー

> 直線式(ax+by+cz=0)の求め方を教えて下さい。
3次元座標では(ax+by+cz=0)は原点を通る平面になり、直線の式ではありません。ax+by+cz=dは平面の一般式です。

2点を通る直線の式には公式があります。
以下のように簡単に導けます。
点(x1,y1,z1)を通り方向ベクトル(x2-x1,y2-y1,z2-z1)の直線ですから
媒介変数形式で
(x,y,z)=(x1,y1,z1)+t(x2-x1,y2-y1,z2-z1)
と成ります。
これを変形してすれば
(x-x1)/(x2-x1)=(y-y1)/(y2-y1)=(z-z1)/(z2-z1)
と3次元座標の直線の式となります。

Q単位法線ベクトルの求め方

曲面z=x^2+y^2の点(1,0,1)における単位法線ベクトルを求めよ

という問題で、答えが分からず困っています。


1.

φ=x^2+y^2-z=0
gradφ=(2x,2y,-1)
(1,0,1)での勾配は、(1,0,1)を代入してgradφ=(2,0,-1)
この単位ベクトルを求めて、(2,0,-1)*5^(-1/2)


2.

求める値は
{(∂φ/∂x)×(∂φ/∂y)}/{l(∂φ/∂x)×(∂φ/∂y)l}に(1,0,1)を代入すればよいので
(-2x,-2y,1)/(4x^2+4y^2+1)^(-1/2)に(1,0,1)を代入すればよい
よって、(-2,0,1)*5^(-1/2)

どちらの答えがあっているのでしょうか?

出てきた値の符号が違うので........

Aベストアンサー

ある曲面の単位法線ベクトルがuだとすると、-uもまた単位法線ベクトルになります。
両方とも単位法線ベクトルです。

QベクトルAとBに垂直なベクトルCを求めるには?

ベクトルAとBがあり、その両方に垂直なベクトルを求めたいのですが、
どうすれば良いのでしょうか?
内積を計算した結果で0になるものが直行しているというのはわかるのですが・・・

Aベストアンサー

rei00 です。先程の回答違ってますね。alfeim さんがお書きの様に A, B の外積が求めるものですね。

で,あえて内積で頑張るなら次の様になると思います。A, B を三次元ベクトル A (a1, a2, a3), B (b1, b2, b3) とし,求めるベクトルを X (x, y, z) とすると。

垂直=内積0より
 a1・x + a2・y + a3・z = 0
 b1・x + b2・y + b3・z = 0

これを解いて
 x = z・(b3・a2 - a3・b2)/(a1・b2 - b1・a2)
 y = z・(b3・a1 - a3・b1)/(a2・b1 - b2・a1)

今,求めるベクトルの大きさが決まっていませんので,x, y, z の比を使って,求めるベクトルは (a2・b3 - b2・a3, a3・b1 - b3・a1, a1・b2 - b1・a2) となります。

つまり A, B の外積になります。なお,3次元上の次元でも同様に出来ると思います(たぶん・・・)。

Q接平面の式

曲面z=3-x^2-y^2 の点(1,1,1)における接平面の式は
どのように求めればいいのでしょうか?

また、その接平面から距離が√5となる平面の式も
求めたいのです。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

参考程度に

「曲面z=3-x^2-y^2 の点(1,1,1)における接平面の式は
どのように求めればいいのでしょうか?」

接平面の方程式がいりますね。
z=f(xy), 点(a,b,c) の時の 接平面の方程式は、
z-c=fx'(a,b)(x-a)+fy'(a,b)(y-b)
ですね。
z=3-x^2-y^2 の点(1,1,1)の場合は、
c=1, {∂f(xy)/∂x}(1,1,1)=-2x=-2
{∂f(xy)/∂y}(1,1,1)=-2y =-2
z-1=-2(x-1)-2(y-1)=-2x-2y+4
z=-2x-2y+5
ということですかね。

Q大学院別のTOEICの合格点を教えてください。

大学院入試でTOEICの点数を英語の点数として換算している大学院が多くあると知ったのですが大学院別にどのぐらいが合格点なのでしょうか?
東大の院生の平均点が730というデータはネットでみたのですが他のいろいろな大学院について教授からや友達からの情報でもいいので参考にさせてください。

Aベストアンサー

このサイトに、大学院入試でTOEIC(R)Testを活用する52の大学院が、
国公立、私立別で掲載されており、
ある一定のスコアで、英語の独自試験免除など、詳しい情報が見れます!

参考URL:http://www.toeicclub.net/graduateschool.html


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