空間ベクトル

球面のベクトル方程式

中心と半径

空間ベクトルの「球面のベクトル方程式」を、答えを先に押さえてから理解できる形に整理したページです。「中心と半径」でつまずきやすい点も含めて、学習の流れを短く確認できます。

数学C 約8分 難易度 2

このページのまとめ

先に押さえておくこと

球面のベクトル方程式の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。

答えの要点

中心と半径の答えと条件を先に確認できます。

  • テーマ: 中心と半径
  • ポイント: 空間ベクトルの基礎を短く確認しやすく、検索から入ってもそのまま理解まで進めやすい記事です。
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問題

(1)(1)\quad中心が(1,−2,3)(1, -2, 3)で半径が44の球面の方程式を求めよ。

(2)(2)\quad方程式x2+y2+z2−4x+6y−2z−2=0x^2+y^2+z^2-4x+6y-2z-2=0はどのような図形を表すか。中心の座標と半径を求めよ。

(3)2(3)\quad 2点A(1,3,−1),  B(5,−1,3)A(1, 3, -1),\; B(5, -1, 3)を直径の両端とする球面の方程式を求めよ。

答えを見る

(1)  (x−1)2+(y+2)2+(z−3)2=16‾(1)\; \underline{(x-1)^2+(y+2)^2+(z-3)^2=16}

(2)  (2)\;中心(2,−3,1)‾\underline{(2, -3, 1)}、半径4‾\underline{4}の球面

(3)  (x−3)2+(y−1)2+(z−1)2=12‾(3)\; \underline{(x-3)^2+(y-1)^2+(z-1)^2=12}

解説

球面のベクトル方程式について解説します。

球面の方程式は22次元の「円の方程式」の拡張だよ。円(x−a)2+(y−b)2=r2(x-a)^2+(y-b)^2=r^2にzzの項が加わっただけだね。

(1)(1)\quad中心が(1,−2,3)(1, -2, 3)で半径が44の球面の方程式を求めよ。

公式にそのまま当てはめます。中心(a,b,c)=(1,−2,3)(a, b, c)=(1, -2, 3)、半径r=4r=4なので

(x−1)2+(y+2)2+(z−3)2=16‾\underline{(x-1)^2+(y+2)^2+(z-3)^2=16}

yy座標が−2-2だから(y−(−2))2=(y+2)2(y-(-2))^2=(y+2)^2となることに注意してね。符号のミスが多いところだよ。

(2)(2)\quad方程式x2+y2+z2−4x+6y−2z−2=0x^2+y^2+z^2-4x+6y-2z-2=0はどのような図形を表すか。

展開された形になっていますね。どうすれば中心と半径が分かりますか?

平方完成をすればいいんだ。x,y,zx, y, zそれぞれについて平方完成するよ。

x,y,zx, y, zそれぞれについて平方完成します。

x2−4x+y2+6y+z2−2z=2x^2-4x+y^2+6y+z^2-2z=2
(x2−4x+4)+(y2+6y+9)+(z2−2z+1)=2+4+9+1(x^2-4x+4)+(y^2+6y+9)+(z^2-2z+1)=2+4+9+1
(x−2)2+(y+3)2+(z−1)2=16(x-2)^2+(y+3)^2+(z-1)^2=16

これは中心(2,−3,1)(2, -3, 1)、半径44の球面です。

平方完成のコツは、x2−4xx^2-4xの場合、−4-4の半分の−2-2を22乗して44を足す、ということだよ。yyやzzも同じやり方だね。

(3)2(3)\quad 2点A(1,3,−1),  B(5,−1,3)A(1, 3, -1),\; B(5, -1, 3)を直径の両端とする球面の方程式を求めよ。

直径の両端が与えられた場合、何を求めればいいですか?

中心は直径の中点、半径は中心から端点までの距離だよ。

まず、中心はAAとBBの中点です。

C=(1+52,  3+(−1)2,  −1+32)=(3,1,1)C=\left(\frac{1+5}{2},\; \frac{3+(-1)}{2},\; \frac{-1+3}{2}\right)=(3, 1, 1)

次に、半径は∣CA∣|CA|で求めます。

r=∣CA∣=(1−3)2+(3−1)2+(−1−1)2r=|CA|=\sqrt{(1-3)^2+(3-1)^2+(-1-1)^2}
=4+4+4=\sqrt{4+4+4}
=12=\sqrt{12}
=23=2\sqrt{3}

よって、中心(3,1,1)(3, 1, 1)、半径232\sqrt{3}の球面の方程式は

(x−3)2+(y−1)2+(z−1)2=12‾\underline{(x-3)^2+(y-1)^2+(z-1)^2=12}

r2=12r^2=12だから、右辺は1212になるんですね。232\sqrt{3}を22乗して(23)2=12(2\sqrt{3})^2=12ですね!

その通り!球面の方程式の右辺はr2r^2であることを忘れないようにしよう。

このページのまとめ

ここでは球面のベクトル方程式について学習しました。

球面の方程式は円の方程式を33次元に拡張したものです。標準形(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=r2(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2=r^2と一般形x2+y2+z2+lx+my+nz+k=0x^2+y^2+z^2+lx+my+nz+k=0の間を平方完成で行き来できるようにしましょう!

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