|a+tb| の最小(内積を使って展開)(B)
★★☆☆☆☆☆(章末問題) / 作成者: shonan / 2026/10/27
🔁 類題: |a+tb| の最小(内積を使って展開)(A) (★★☆☆☆☆☆(章末問題))
問題
$|\vec{a}|=3$,$|\vec{b}|=2$ で,$\vec{a}$ と $\vec{b}$ のなす角が $120^\circ$ のとき,次の問いに答えよ.
\begin{enumerate}
\item[(1)] $|\vec{a}+t\vec{b}|$($t$ は実数)の最小値と,そのときの $t$ の値を求めよ.
\item[(2)] (1) のとき,$\vec{a}+t\vec{b}$ と $\vec{b}$ は垂直であることを示せ.
\end{enumerate}
(1) $\vec{a}\cdot\vec{b}=3\cdot 2\cos 120^\circ=-3$ であるから
\[ |\vec{a}+t\vec{b}|^2=9-6t+4t^2=4\left(t-\frac{3}{4}\right)^2+\frac{27}{4} \]
よって $t=\dfrac{3}{4}$ のとき $|\vec{a}+t\vec{b}|^2$ は最小値 $\dfrac{27}{4}$ をとる.$|\vec{a}+t\vec{b}|\geqq 0$ であるから,$|\vec{a}+t\vec{b}|$ は $t=\dfrac{3}{4}$ のとき最小値 $\dfrac{3\sqrt{3}}{2}$ をとる.
(2) $t=\dfrac{3}{4}$ のとき
\[ \left(\vec{a}+\frac{3}{4}\vec{b}\right)\cdot\vec{b}=\vec{a}\cdot\vec{b}+\frac{3}{4}|\vec{b}|^2=-3+3=0 \]
$\vec{a}+\dfrac{3}{4}\vec{b}\neq\vec{0}$((1) より大きさは $\dfrac{3\sqrt{3}}{2}$),$\vec{b}\neq\vec{0}$ であるから,$\vec{a}+\dfrac{3}{4}\vec{b}$ と $\vec{b}$ は垂直である.($\vec{a}+t\vec{b}$ の終点は $\vec{a}$ の終点を通り $\vec{b}$ に平行な直線上を動き,原点からこの直線に下ろした垂線の足で大きさが最小になる.)
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