「すべての」と「ある(存在する)」

数Ⅰの問題です。

\(y=p(x-q)^2+q~(p \neq 0)\)上のすべての点が放物線\(y=x^2-1\)の下側にあるような実数\(q\)が存在するときの実数\(p\)の範囲を求めよ.

まず,「~するときの範囲を求めよ」(「~するための条件を求めよ」)というのは「~するための必要十分条件を求めよ」と問うていると思われます。したがって「\(y=p(x-q)^2+q\)上のすべての点が放物線\(y=x^2-1\)の下側にあるような実数\(q\)が存在する」を同値変形することを考えます。日本語のままでは考えづらいので,この主張を論理記号を用いて表わしてみます。すると\[\exists q \in \mathbb{R} \forall x \in \mathbb{R}[x^2-1>p(x-q)^2+q]\]となります。したがって,

解答

\begin{align*}
&\exists q \in \mathbb{R} \forall x \in \mathbb{R}[x^2-1>p(x-q)^2+q]\\
\Longleftrightarrow~&\exists q \in \mathbb{R} \forall x \in \mathbb{R}[(1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0]\\
\Longleftrightarrow~&\exists q \in \mathbb{R} \forall x \in \mathbb{R} \begin{cases}(1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0 \\ 1-p>0 \lor 1-p=0 \lor 1-p < 0 \end{cases}\\ \Longleftrightarrow~&\exists q \in \mathbb{R} \forall x \in \mathbb{R}[((1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0\land p<1)\\ &\lor ((1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0\land p=1) \\
&\lor ((1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0\land p>1) ]\tag{1}
\end{align*}
ここで,\[\forall x\in \mathbb{R}[(1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0\land p=1]\]と\[\forall x\in \mathbb{R}[(1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0\land p>1]\]は偽の命題であるから,\((1)\)は
\[(1)\Longleftrightarrow~\exists q \in \mathbb{R} \forall x \in \mathbb{R}[(1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0\land p<1]\]とできる().したがって,
\begin{align*}
(1)\Longleftrightarrow~&\exists q \in \mathbb{R} \forall x \in \mathbb{R}[(1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0\land p<1]\\ \Longleftrightarrow~&\exists q \in \mathbb{R} [\forall x \in \mathbb{R}[(1-p)x^2+2pqx-pq^2-q-1>0]\land p<1]\\ \Longleftrightarrow~&\exists q \in \mathbb{R} [p^2q^2-(1-p)(-pq^2-q-1)<0\land p<1]\\ \Longleftrightarrow~&\exists q \in \mathbb{R} [p^2q^2-(1-p)(-pq^2-q-1)<0]\land p<1\\ \Longleftrightarrow~&\begin{cases}\exists q \in \mathbb{R} [pq^2+(1-p)q+1-p<0\land (p >0 \lor p < 0)]\\ p<1 \end{cases}\\ \Longleftrightarrow~&\begin{cases}\exists q \in \mathbb{R} [(pq^2+(1-p)q+1-p<0\land p >0) \lor (pq^2+(1-p)q+1-p<0\land p < 0)]\\ p<1 \end{cases} \\ \Longleftrightarrow~&\begin{cases}\exists q \in \mathbb{R}[pq^2+(1-p)q+1-p<0\land p >0] \lor \exists q \in \mathbb{R}[pq^2+(1-p)q+1-p<0\land p < 0]\\ p<1 \end{cases}\\ \Longleftrightarrow~&\begin{cases}(\exists q \in \mathbb{R}[pq^2+(1-p)q+1-p<0]\land p >0) \lor (\exists q \in \mathbb{R}[pq^2+(1-p)q+1-p<0]\land p < 0)\\ p<1 \end{cases}\\ \Longleftrightarrow~&\begin{cases}((1-p)^2-4p(1-p)>0 \land p>0)\lor p < 0\\ p<1 \end{cases}\\ \Longleftrightarrow~&\begin{cases}((p-1)(5p-1)>0 \land p>0)\lor p < 0\\ p<1 \end{cases}\\ \Longleftrightarrow~&\begin{cases}0 < p < \frac{1}{5}\lor p < 0\\ p<1 \end{cases}\\ \Longleftrightarrow~&0 < p < \frac{1}{5}\lor p < 0 \end{align*} 解答終

一般的な解答においてやっている(であろう)ことの正当性が個人的にいまいち納得できないので,論理式で考えてみました。一般的な解答において感じるその不安感というか気持ち悪さは,上の解答で行っている恒真命題の追加,分配法則,\(\forall\)や\(\exists\)の支配域の変更などがぼかされているためではないかと思います。さらに,この解答においても一つ気になるのが()の部分です。一般に,\[\forall x[p(x)\lor q(x)] \Longleftarrow \forall x p(x)\lor \forall x q(x)\]すなわち全称記号は\(\lor\)に関して分配は出来ませんから,そこだけちょっと誤魔化しています。これについては別記事で詳しく考えてみようと思います。

場合分け?

次の方程式を解け.\[|x+4|=3x\]

ちょうど今時期の数学Ⅰで登場する定番中の定番,絶対値の問題です。一般的な場合分け?による解答は教科書等参照。そうではなく,ここではあの例の解答は結局何をしているのか,論理式を用いて詳しく見てみます。

解答

\begin{align*}
&|x+4|=3x\\
\Longleftrightarrow~&|x+4|=3x \land (x+4 \geq 0 \lor x+4 < 0) \tag{1}\\
\Longleftrightarrow~&(|x+4|=3x \land x+4 \geq 0 ) \lor (|x+4|=3x \land x+4 < 0) \tag{2}\\
\Longleftrightarrow~&(x+4=3x \land x \geq -4 ) \lor (-x-4 =3x \land x < -4)\\
\Longleftrightarrow~&(x = 2 \land x \geq -4 ) \lor (x = -1 \land x < -4)\\
\Longleftrightarrow~& x = 2 \land x \geq -4 \tag{3}\\
\Longleftrightarrow~& x = 2 \tag{4}
\end{align*}

解答終

\((1)\)は恒真命題の追加
\((2)\)は分配法則
\((3)\)は矛盾命題の削除
\((4)\)は一般には\(P\land Q\Rightarrow P\)ですがここでは逆も明らかに成り立つ(\((4)\)の方程式\(x=2\)をみたす\(x\)は\(2\)のみですが,この\(2\)は\((3)\)の方程式\(x=2\)をみたし,かつ,\((3)\)の不等式\(x \geq -4\)をみたします)

こうしてみると何をしているのかが一目瞭然です。

2次方程式が異符号の解をもつための条件

チャート式なんかによくみる解法

\(2\)次方程式\(f(x)=0\)が異なる\(2\)つの正の解をもつ\(~\Longleftrightarrow D>0,\alpha+\beta >0,\alpha\beta > 0\)
\(2\)次方程式\(f(x)=0\)が異なる\(2\)つの負の解をもつ\(~\Longleftrightarrow D>0,\alpha+\beta <0,\alpha\beta < 0\)
\(2\)次方程式\(f(x)=0\)が異符号の解をもつ\(~\Longleftrightarrow \alpha\beta < 0 \)

これを見てふと思う。最後のだけなんで\(D>0\)がないの?と。補足をよく見ると「このとき,\(D>0\)は成り立っている」と小さく書いてある。ここ,ちょっと疑問をもちつつも「まあそういうもんなんだろ~」程度のゆるい理解で済ませているひとも少なくないと思います。でも,ここをちゃんと確認しないまま結果だけ使うというのは,理由を納得しないまま覚えるということで,数学としてはその姿勢はちょっと不安です。

証明してみます。以下,\(\alpha,\beta\)を\(2\)次方程式\(f(x)=0\)の解とします。

証明

\(2\)次方程式\(f(x)=0\)が異符号の解をもつとする.
\begin{align*}
&~\text{\(2\)次不等式\(f(x)=0\)が異符号の解をもつ}\\
\Longleftrightarrow &~D>0 \land ((\alpha > 0 \land \beta < 0) \lor (\alpha < 0 \land \beta > 0))\\
\Longleftrightarrow &~D>0 \land \alpha\beta < 0\\
\Longrightarrow &~\alpha\beta < 0 \quad\text{※ 必要条件}
\end{align*}よって,\[\text{\(2\)次不等式\(f(x)=0\)が異符号の解をもつ}\Longrightarrow ~\alpha\beta < 0\]が成り立つ.逆に,\(\alpha\beta < 0\)とする.
\begin{align*}
\alpha\beta=\frac{c}{a}<0 \Longleftrightarrow~& ac<0\\ \Longleftrightarrow~& -4ac > 0\\
\Longrightarrow~& b^2-4ac > 0 \quad\text{※ 必要条件}\\
\Longleftrightarrow~& D > 0
\end{align*}ゆえに,
\begin{align*}
\alpha\beta < 0 \Longrightarrow~&D>0 \land \alpha\beta < 0\\
\Longleftrightarrow~&\text{\(2\)次不等式\(f(x)=0\)が異符号の解をもつ}
\end{align*}以上により,\[\text{\(2\)次不等式\(f(x)=0\)が異符号の解をもつ}\Longleftrightarrow~\alpha\beta < 0\]が示された.

証明終

判別式と解と係数の関係どーのこーのがこの分野のテーマだと思うんですが,そんなことより補足として小さく書かれたこっちの議論の方が大事だし面白いと個人的に思います^^;

そもそも,教科書や教科書準拠問題集はそもそもこの辺の論理にはあまり深入りしない傾向がある気がします。卑近な例ですが例えば「判別式は\(D\)じゃなくて\(\frac{D}{4}\)を使うと計算が楽だよ!」とか。これだって,「判別式はあくまで\(D\)であって,\(\frac{D}{4}\)だなんて勝手に\(\frac{1}{4}\)しちゃだめだろ」と思いませんでしたか…?僕は思ったなあ。実際楽なので正当性も確かめずに使ってましたが。まあともかくこれだって,なんのことはない,\begin{align*}D > 0 \Longleftrightarrow \frac{D}{4}>0\\
D = 0 \Longleftrightarrow \frac{D}{4}=0\\
D < 0 \Longleftrightarrow \frac{D}{4} <0\\ \end{align*}ということに過ぎず,したがって例えば\(\frac{D}{4}>0\)を変形して得られる結論は,\(D>0\)と同値であるわけです。だから\(\frac{D}{4}>0\)で考えてよい,という。

もっとも,細かいことは気にせずとりあえず使えるように(=問題が解けて,点数がもらえるように)なることを目指し,その後改めて,細部を振り返り精査していく…という勉強法は難しい内容を学びとるためのひとつの有効な姿勢であり,決して否定はできません。あまり細かいことを言うと敷居が高くなったり(※誤用の方),あるいは深入りしすぎて手段と目的が逆転してしまったりといいことばかりではありませんしね。どう導入するのか,というのは難しいところです。

外積の分配法則

\[\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c})=\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{b}+\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{c}\]

\(\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c})=\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{b}+\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{c}\)を証明します。

図のように,空間上に\(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b},\overrightarrow{c}\)があったとしましょう。

\(\overrightarrow{a}\)の始点を通り,\(\overrightarrow{a}\)に垂直な平面を\(\alpha\)とし,\(\overrightarrow{b},\overrightarrow{c}\)からその平面\(\alpha\)への正射影ベクトルをそれぞれ\(\overrightarrow{b^{\prime}},\overrightarrow{c^{\prime}}\)とおきます。

このとき,下図のような位置関係があることに注意しておきます。

図を動かしてイメージしてみてください(右クリックを押しながらドラッグすると動きます)。

さて,このとき,\begin{align*}
\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c})=&\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}})\tag{1}\\
=&\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{c^{\prime}}\tag{2}\\
=&\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b}+\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{c}\tag{3}
\end{align*}が言えます。順にみていきます。

\((1)\)について:
\(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c},\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}}\)は同一平面上にありますから,まず\(\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c})\)と\(\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}})\)の向きは同じであることが分かります。そして,\(\overrightarrow{a}\)と\(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c}\)が作る平行四辺形の面積と,\(\overrightarrow{a}\)と\(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}}\)が作る平行四辺形の面積は等しいので(等積変形),\(\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c})\)と\(\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}})\)の大きさも等しい。したがって\[\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b}+\overrightarrow{c})=\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}})\tag{1}\]です。

\((2)\)について:
\(\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b^{\prime}},\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{c^{\prime}},\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}})\)の向きはどれも\(\overrightarrow{a}\)を軸に\(90^{\circ}\)回転させた向きになります。そして大きさは(どれも\(\overrightarrow{a}\)と直交していることに注意すれば)それぞれ\(|\overrightarrow{a}||\overrightarrow{b^{\prime}}|,|\overrightarrow{a}||\overrightarrow{c^{\prime}}|,|\overrightarrow{a}||\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}}|\),すなわちどれも自分の大きさを\(|\overrightarrow{a}|\)倍したものです。

(上の図は見やすさのため\(\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}})\)だけ図示)これを,真上から見たものが下の図がです。

この図から,\[\overrightarrow{a}\times(\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{c^{\prime}})=\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{b^{\prime}}+\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{c^{\prime}}\tag{2}\]であることが分かります。

\((3)\)について:
\(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b},\overrightarrow{b^{\prime}}\)は同一平面上にありますから,まず\(\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{b}\)と\(\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{b^{\prime}}\)の向きは同じであることが分かります。そして,\(\overrightarrow{a}\)と\(\overrightarrow{b}\)が作る平行四辺形の面積と,\(\overrightarrow{a}\)と\(\overrightarrow{b^{\prime}}\)が作る平行四辺形の面積は等しいので(等積変形),\(\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b}\)と\(\overrightarrow{a}\times\overrightarrow{b^{\prime}}\)の大きさも等しい。したがって\[\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b}=\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b^{\prime}}\tag{3}\]です。

\(\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{c}=\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{c^{\prime}}\)も同様です。

以上により証明が完了しました。

増減表のかきかた2

\(f(x)=x(\log x)^2-2x\log x +\frac{3}{2}x -1~(1\leq x \leq e)\)の最大値と最小値を求めよ.

\begin{align*}
f^{\prime}(x)=&1\cdot (\log x)^2+x\cdot 2(\log x)\frac{1}{x}-2\left(\log x+x\cdot \frac{1}{x}\right)+\frac{3}{2}\\
=&(\log x)^2+2\log x-2\log x-2+\frac{3}{2}\\
=&(\log x)^2-\frac{1}{2}
\end{align*}
\(f^\prime(x)=0\)を解くと,\begin{align*}
&(\log x)^2-\frac{1}{2}=0\\
\Longleftrightarrow &~\left(\log x -\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\left(\log x +\frac{1}{\sqrt{2}}\right)=0\\
\Longleftrightarrow &~\log x = \frac{1}{\sqrt{2}}\\
\Longleftrightarrow &~x=e^{\frac{1}{\sqrt{2}}}
\end{align*}
さて,増減表ですが,例の「\(f(x)=0\)を満たす\(x\)を挟む\(x\)を代入して調べる」方法をとるとすれば,\(1\leq x \leq e^\frac{1}{\sqrt{e}}\)そして\(e^\frac{1}{\sqrt{e}} \leq x \leq e\)を満たす\(x\)を見つけ,それを\(f^{\prime}(x)=(\log x)^2-\frac{1}{2}\)に代入するわけですが…そんなことはとてもじゃないがやってられない。

そこで,以下のように考えます:

\begin{align*}
f^{\prime}(x)=&(\log x)^2-\frac{1}{2}=\left(\log x -\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\left(\log x +\frac{1}{\sqrt{2}}\right)
\end{align*}ここで,\(f^{\prime}(x)\)の正負に関わるのは\(\left(\log x -\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\)の部分だけですから,この部分だけに着目することにします。ここで前回の「増減表のかきかた」で紹介したように「絵をかく」ことを考えますが,ここでさらに一工夫。着目している\(\log x -\frac{1}{\sqrt{2}}\)を,\(y=\log x\)と\(y=\frac{1}{\sqrt{2}}\)との差,という「2つの関数の差」と見なすことで以下のように視覚化できます。


\(y=\log x\)が‘上’なら正,\(y=\frac{1}{\sqrt{2}}\)が‘上’なら負ですから,結局\(f^{\prime}(x)\)の符号は\(e^{\frac{1}{\sqrt{2}}}\)を境に\(-\rightarrow+\)と変化することが直ちに分かります。

他にも例えば,

\[f(x)=e^x\sin x~(0\leq x \leq \pi)\]

であれば,\(f^{\prime}(x)=e^x(\sin x+\cos x)\)となりますが,これなら\(\sin x-(-\cos x)\)という「関数の差」と見なすことで,以下のように増減の様子が即断できます(しかも\(f^{\prime}(x)=0\)をみたす\(x\)が\(\frac{3}{4}\pi\)であることも分かるというオマケつき)。これを「具体的な\(x\)を代入して調べる」なんていう〇〇なことはやるべきじゃない。


増減表のかきかた(\(f^{\prime}(x)\)の行の埋め方)をまとめると,

増減表のかきかた(\(f^{\prime}(x)\)の行の埋め方)

となります。数学Ⅱにおいては,すべて②のみで片付きます。数Ⅲにおいてもほとんどが②’までで片付きます。

上の例から見て分かる通り,「具体的な\(x\)を代入して調べる」という手法が通用するのはせいぜい教科書の例題までで,やっていることは間違いではないものの,入試問題では応用が効かないのです。だからダメダメなんです。にもかかわらず,こんな手法をドヤ顔で教えるのはいかがなものでしょうかね。皆がそうしてるから,教科書にそう書いてあるから,は理由にならんでしょ…と個人的に思います。

増減表のかきかた1

\(f^{\prime}(x)\)の行をどう埋めていくか(\(f^{\prime}(x)\)の符号をどう調べるか),について見てみます。

\(y=\frac{1}{3}x^3-x^2+1\)のグラフをかけ.

生徒に増減表を書かせると\(f^{\prime}(x)\)の行は十中八九「極値をとる\(x\)を挟む具体的な数を代入して,その正負から判断」しようとします。この例だと

\(f^{\prime}(x)=x^2-2x=x(x-2)\)より極値をとる\(x\)は\(0\)と\(2\),だからここでは\(0\)と\(2\)をはさむ数としてたとえば\(-1,1,3\)を代入して
\[\begin{cases}
f^{\prime}(-1)=(-1)^2-2(-1)=3>0 \\
f^{\prime}(1)=1^2-2\cdot 1=-1<0 \\ f^{\prime}(3)=3^2-2\cdot 3=3>0\end{cases}\]

よって

のように。実際,学校で\(f^{\prime}(x)\)の行の埋め方としてそのように教わっているからだと思いますが,それは控えめに言って悪手です。

ここは\(f^{\prime}(x)\)のグラフを書いて,視覚的に判断するべきです:


このように視覚的に考えれば\(0,2\)を境に\(f^{\prime}(x)\)の符号が正→負→正と変化することが,いちいち面倒な代入計算などせずとも直ちに分かります。ちなみに,増減の様子を下に対応させれば

となります。このように考えると,概形だけ知りたいのならばそもそも増減表すら書く必要がないことも分かります。

さて,なぜ教科書お馴染みの「代入して調べる」という方法がまずいかというと,例えば極値をとる\(x\)が汚い値となる場合,例えば\(y=f(x)=-x^3+6x^2-x+1\)なら\(f^{\prime}(x)=-3x^2+12x-1\)より\(f^{\prime}(x)=0\)を解くと\(x=\frac{6\pm\sqrt{33}}{3}\)となりますが,こんなときでも「(挟む数を探して)代入して調べる」のでしょうか。できなくはないけど相当面倒でしょう。まあ,「面倒」なだけならまだ我慢すれば済むけど,じゃあそもそも与えられた\(f(x)\)に文字(未知数)が含まれていたら?「代入」したって\(f^{\prime}(x)\)の具体的な値が分からないのだから,増減表がかけず,したがってグラフが書けない。グラフが書けないということは視覚的な考察ができないということ。グラフの問題でグラフ書けないんだからほぼ詰み。

まとめると,\(f^{\prime}(x)\)の行は,「代入して調べる」なんて応用のきかない方法は無視して,\(f^{\prime}(x)\)のグラフを書いて判別しましょう,ということでした。

この「\(f^{\prime}(x)\)のグラフを書いてその正負を視覚的に判断する」という手法は,数学Ⅲにおいても(というか数Ⅲでこそ)威力を発揮します。

点と平面の距離

平面\(ax+by+cz+d=0\)と点\(P(x_0,y_0,z_0)\)との距離の公式を作ってみます。

平面\(ax+by+cz+d=0\)と点\(P(x_0,y_0,z_0)\)との距離は\[\frac{|ax_0+by_0+cz_0+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\]で与えられる.

証明

\((a_0,b_0,c_0)\)を平面上の点とする.点\(P\)から平面へおろした足を\(H\)とおけば,線分\(PH\)の長さは正射影ベクトル\((\overrightarrow{AP}\cdot \overrightarrow{e})\overrightarrow{e}\)の大きさと等しい.したがって
\begin{align*}
PH=&\left|(\overrightarrow{AP}\cdot \overrightarrow{e})\overrightarrow{e}\right|\\
=&\left|\left(\begin{array}{c} x_0-a_0 \\ y_0-b_0 \\ z_0-c_0 \end{array}\right)\cdot\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\left(\begin{array}{c} a \\ b \\ c \end{array}\right)\right|\\
=&\frac{|a(x_0-a_0)+b(y_0-b_0)+c(z_0-c_0)|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\\
=&\frac{|ax_0+by_0+cz_0-aa_0-bb_0-cc_0|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\\
\end{align*}\((a_0,b_0,c_0)\)は平面上の点なので,\(aa_0+bb_0+cc_0+d=0\)すなわち\(d=-aa_0-bb_0-cc_0\)が成り立つことから\[\frac{|ax_0+by_0+cz_0+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\]を得る.

証明終

おもしろポイント:
・お馴染み点と直線の距離の公式\(\frac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}\)に似てること
・なんかすごいかんたんに導けること
正射影ベクトルきもちいい

平面の方程式

平面の方程式を作ってみます。

ここでは,平面はその平面の垂直方向とその平面が通る1点が定まれば決定することに着目します。平面の法線ベクトルを\(\overrightarrow{n}=(a,b,c)\),平面が通る1点の座標を\(A(a_0,b_0,c_0)\),平面上の任意の点を\(P(x,y,z)\)とおくことにします。\begin{align*}
&\overrightarrow{AP} \cdot \overrightarrow{n} = 0\\
\Longleftrightarrow~ &\left(\begin{array}{c} x-a_0 \\ y-b_0 \\ z-c_0 \end{array}\right)\cdot\left(\begin{array}{c} a \\ b \\ c \end{array}\right)= 0\\
\Longleftrightarrow~ &a(x-a_0)+b(y-b_0)+c(z-c_0)=0\\
\Longleftrightarrow~ &ax+by+cz-aa_0-bb_0-cc_0=0\\
\Longleftrightarrow~ &ax+by+cz+d=0
\end{align*}よって,平面の方程式は\(ax+by+cz+d=0\)と書けること,そしてその法線ベクトルが\((a,b,c)\)で表されることが分かりました(途中,\(-aa_0-bb_0-cc_0=d\)とおきました)。直線の方程式が\(ax+by+c=0\)と書けること,そしてその法線ベクトルが\((a,b)\)で表されることにそっくりですね。

斜交座標系

\(\Delta ABC\)において,辺の中点を\(C\),辺\(OB\)を\(2:1\)に内分する点を\(D\)とし,線分\(AD\)と線分\(BC\)の交点を\(P\)とする.\(\overrightarrow{OA}=\overrightarrow{a},\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{b}\)とするとき,\(\overrightarrow{OP}\)を\(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}\)を用いて表せ.

定期考査に必ず出題される定番中の定番の問題です。教科書のような例の解法のほかにも様々な解法が考えられますが,個人的には以下のように考えるのが好きです。

解答

\(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b}\)を基底とする斜交座標系を考える.その座標系における直線\(AD\)の方程式は\(x+\frac{3}{2}y=1\),直線\(BC\)の方程式は\(2x+y=1\)(下図参照).この2式を連立して\(x=\frac{1}{4},y=\frac{1}{2}\).したがって\[\overrightarrow{OP}=\frac{1}{4}\overrightarrow{a}+\frac{1}{2}\overrightarrow{b}\]を得る.

解答終

高校2年生の問題が,中学1年生レベルの単純な連立方程式の問題に帰着します。直線は\(y=ax+b\)だけじゃなく\(\frac{x}{a_0}+\frac{y}{b_0}=1\)(切片型)と書けることは常識にしておきましょう。

この教科書の超基本問題はこのように面白い解法がいくつかあって,教科書の解法だけで終わらせるにはもったいない問題。ゆっくり立ち止まって色々と学んでおきたい問題です。もちろん教科書の解法も重要(※)です。

※ 重要なんだけど問題はその学び方。この解法を「\(s:1-s\)とおいて\(t:1-t\)とおいて~」みたいなこの問題「特有の」手順として学ぶひとが多い。そんな頭の解法ストックに+1するだけの理解(暗記?)だけではなく,これはベクトル方程式と絡めた視点(ベクトル方程式を立てているという認識)をも学ぶべき。そうすればこの一連の手続きは「解法」なんて仰々しいものじゃない,極めて自然でかつ汎用性のある(=模試レベルでも使える)知識になります。

任意の(その2)

数学Ⅰの「集合と論理」を学んだ高校生にぜひ考えてもらいたい問題。

任意の\(\epsilon > 0\)に対して\(|x-a| < \epsilon \)ならば,\(x=a\)であることを示せ.

\(|x-a| < \epsilon \Longleftrightarrow a-\epsilon < x < a+ \epsilon\)で,この不等式において\(\epsilon\)は任意の正数,つまり正の数なら何入れても成り立つとすれば\(x=a\)である,換言すれば「幅をどんだけ小さくしても,その間に\(x\)が入るというのなら,その\(x\)って\(a\)だよね?」といっています。感覚的には正しそう?

証明

示したいことは\[\forall \epsilon > 0 [|x-a| < \epsilon] \Longrightarrow x=a\]である.この命題を否定して\[\forall \epsilon > 0 [|x-a| < \epsilon] \land x \neq a\]と仮定する.このとき,\(|x-a| > 0\)であるから,\(0 < \epsilon^{\prime} < |x-a|\)を満たす\(\epsilon^{\prime}\)が存在する.\(\epsilon\)は任意だったので,この\(\epsilon^{\prime}\)をとることにする.すると,\(|x-a| < \epsilon^{\prime}<|x-a|\)より\(|x-a| < |x-a|\)となり矛盾する.したがって\[\forall \epsilon > 0 [|x-a| < \epsilon] \Longrightarrow x=a\]となる.

証明終

note:
\(\{a\}(\subset \mathbb{R})\)が閉集合であることの証明において,\(\{x|\forall \epsilon >0 [d(x,y) < \epsilon,y=a]\}=\{a\}\)を示す必要がありそこで使った。