授業実践記録 | |
ベクトルの内積の指導について |
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大阪府立大手前高等学校 深川 久 |
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1.はじめに
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ベクトルの内積は,生徒にとって意味がつかみにくい概念である。ベクトルの大きさとなす角θ を用いた定義 ![]() そのため,単に定義式を示すだけではなく,定義の意味を正射影と結び付けて説明したり,物理における仕事の概念と結びつけて説明するなどの工夫がよくなされるようである。 定義を示されてもわかった気がしないというとき,定義式の表すものの意味それ自体がつかみにくいという面と,その定義が既習知識の中に周辺事項との整合性を保ちながら落ち着く場所を見出せないためにわかりにくいと感じるという面との二つの理由があるように思われる。上に挙げたよくなされる工夫は前者の側面に焦点を当てている。ここでは,後者に注目して生徒の感じるわかりにくさを軽減する方法について考える。 |
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2.三平方の定理と余弦定理
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生徒は,中学校において三平方の定理を学習し,数学 I の「図形と計量」の単元において余弦定理を学習している。(△ABCの辺の長さおよび内角の大きさを慣用に従い表す)
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3.直角三角形からのずれと内積の定義
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ベクトルの内積について学習する際に,定義の前に,直角三角形 OAB に対する三平方の定理と,一般の三角形に対する余弦定理とを,ベクトルの記法を用いて再び書き並べ,思い出しておく。
ベクトルによる記法を用いているだけで,内容は三平方の定理と余弦定理に他ならないことを確認しながらベクトル記法になじませ,三平方の定理と余弦定理との関係(特別の場合と一般の場合)を思い出し,両者のずれに注目する。すなわち,
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4.内積と成分
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前節のような流れで内積を定義した後,再度余弦定理を書いておく。
ここまでに,記法を変えて余弦定理が3度現れた。通常は,ベクトルの成分を用いて内積を表す式を導出する際に初めて余弦定理を持ち出すことが多い。ここでは,初めから余弦定理に焦点を当てている。等式中,ベクトルの大きさの平方がすべてベクトルの成分を用いて表されるのだから, |
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5.面積と内積
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大きさを固定した2つのベクトル ![]() ![]() ![]() ![]() 2つのベクトル,
なす角θ の場合の平行四辺形の面積を S と表すことにすると,
となる。θ =90°の場合には右辺第二項が 0 となって消え,なす角が直角からずれるほど,面積の平方は小さな値となり,内積の平方の値は大きくなる。直角からのずれに注目して内積の導入とした見方からはごく自然に了解できる等式である。このように,正弦と余弦はいつも対にして扱うと見通しがよくなる。この等式からは,
で求められることも見やすい。 |
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6.おわりに
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