4.動くベクトルの表現方法について


4−1 ベクトルを動かすことは、点を動かすことと同じ

 右図のように、3つのベクトルがあります。

は、平行移動させれば完全に重なりますので、全く同じベクトルです。
当然、代数学的表現をしても同じです。

一方、は、平行移動しても重なりませんので、全く違うベクトルです。
は、幾何学的な言い方をすれば、の向きを変え伸び縮みさせる操作をしたものであり、
代数学的な言い方をすれば、終点の座標を動かしたもの、と言うこともできます。

「ベクトルを動かす」ということは、平行移動させるという意味()と、異なるベクトルを作り出すという意味()があります。ここでは後者の意味で、「ベクトルを動かして」みましょう。

 ベクトルの代数学的表現は、始点を原点にとることにすれば、終点の座標と同じであったので、べクトルを動かすことは、その終点の座標を動かすことと同じです。

「ベクトルや点が刻々と動く」とは、点の座標( x,y )が、( t の関数,t の関数 )のように、時間 t の関数で表現されているということです。
たとえば、

t を時間と考えて、
  (x,y)=(2t−3,3t+1)
とすると、
  t=0 のとき、( x,y )=(−3,1 )
  t=1 のとき、( x,y )=(−1,4 )
  t=2 のとき、( x,y )=( 1,7 )
また、時間をさかのぼって負の値も考えると、
  t=−2 のとき、( x,y )=(−7,−5 )
となります。

さらに細かく t を変化させるとき、
例えば、0.2刻みで時間をとると、
右図の表のようになります。

これをグラフ上に描くと、
時間 t とともに点( x,y )が動く様子が
分かります。
この点が描いた図形を数学では
「軌跡」と呼びます。
また、t のことを媒介変数と呼びます。

  この言葉の由来は、
  x 座標と y 座標が、変数 t を媒介にして
  間接的に結びつけられていることから
  来ています。また、これを parameter と
  も言います。
    x=2t−3,y=3t+1
  の2つの式から、
  t を消去すれば、
    3xー2y+11=0
  となり、
  これは軌跡(この場合は直線)を表す
  方程式が出来上がります。


4−2 ベクトルを動かして、遊んでみよう

ここでは、=( x,y )=( t の関数,t の関数 )が、時間 t (媒介変数)とともに動く様子を、3つのタイプの「『動くベクトル』シミュレータ」で観察してみよう。


 @ t の1次関数で
   表現されるタイプ

 ◆=(x,y)
  =( at+c,bt+d )
  で表現されている。

 ◆a,b,c,d は、
  -10 から 10 の間で、
  0.1 刻みで指定できる。
  (各スライダで設定)

 ◆t は、-10 から 10 の間で、
  0.1 刻みで動かすことが
  できるほか、指定した最小
  値と最大値の間で、0.1
  刻みで、自動的に動かすこ
  とができる。(traceボタン)
  動かすスピードも調整可能
  である。(speed スライダ)

 【観察の観点】
  ※(a,b)は、どんな
   意味のベクトルか?

  ※(c,d)は、どんな
   意味のベクトルか?

  ※の終点は、
  どんな図形を描くか?
  また、その図形の方程
  式はどうなるか?


 A t の2次関数で
   表現されるタイプ

 ◆=( x ,y )
  =( at2+ct+e, bt2+dt+f )
  で表現されている。

 ◆a,b,c,d は、
  -10 から 10 の間で、
  0.1 刻みで指定できる。
  (各スライダで設定)

 ◆t は、-10 から 10 の間で、
  0.1 刻みで動かすことが
  できるほか、指定した最小
  値と最大値の間で、0.1
  刻みで、自動的に動かすこ
  とができる。(traceボタン)
  動かすスピードも調整可能
  である。(speed スライダ)

 【観察の観点】
 ※(a,b)はどんな
  意味のベクトルか?

 ※の終点は、
  どんな図形を描くか?
  また、どうしてそのよ
  うになるのか?


 B t の三角関数で
   表現されるタイプ  

 ◆=( x , y )
  =( a cost+c, bsint+d )
  で表現されている。
  2×2 行列とベクトルの積
  で表している。

 ◆a,b,c,d は、
  -10 から 10 の間で、
  0.1 刻みで指定できる。
  (各スライダで設定)

 ◆t は、-10 から 10 の間で、
  0.1 刻みで動かすことが
  できるほか、指定した最小
  値と最大値の間で、0.1
  刻みで、自動的に動かすこ
  とができる。(traceボタン)
  動かすスピードも調整可能
  である。(speed スライダ)

 【観察の観点】
 ※(a,b)はどんな
  意味のベクトルか?

 ※(c,d)はどんな
  意味のベクトルか?

 ※の終点は、
  どんな図形を描くか?
  また、その図形の方程
  式はどうなるか?




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