プリンキピア

第2章ベクトル

2.2 Coordinate Systems and Components of a Vector2.2 座標系とベクトルの成分

Learning Objectives学習目標

Learning Objectives学習目標

By the end of this section, you will be able to:
英語のヒント
本節を学ぶと、次のことができるようになる。
  • Describe vectors in two and three dimensions in terms of their components, using unit vectors along the axes.
    英語のヒント
    軸に沿う単位ベクトルを使い、2次元と3次元のベクトルを成分で表す。
  • Distinguish between the vector components of a vector and the scalar components of a vector.
    英語のヒント
    ベクトル成分とスカラー成分を区別する。
  • Explain how the magnitude of a vector is defined in terms of the components of a vector.
    英語のヒント
    ベクトルの大きさが成分によってどのように定義されるか説明する。
  • Identify the direction angle of a vector in a plane.
    英語のヒント
    平面内のベクトルの方向角を特定する。
  • Explain the connection between polar coordinates and Cartesian coordinates in a plane.
    英語のヒント
    平面内の極座標とデカルト座標の関係を説明する。
Vectors are usually described in terms of their components in a coordinate system. Even in everyday life we naturally invoke the concept of vector components in a rectangular coordinate system. For example, if you ask someone for directions to a particular location, you will more likely be told to go 40 km east and 30 km north than 50 km in the direction 37° north of east.
英語のヒント
ベクトルは通常、座標系での成分を用いて表される。日常生活でも、直交座標系におけるベクトルの成分という考え方を、自然に用いている。例えば、ある場所への道順を人に尋ねると、東から北へ37°の方向へ50 km進むというより、東へ40 km、北へ30 km進むと教えられることが多い。
In a rectangular (Cartesian) xy-coordinate system in a plane, a point in a plane is described by a pair of coordinates (x, y). In a similar fashion, a vector A→ in a plane is described by a pair of its vector coordinates. The x-coordinate of vector A→ is called its x-component and the y-coordinate of vector A→ is called its y-component. The vector x-component is a vector denoted by A→x. The vector y-component is a vector denoted by A→y. In the Cartesian system, the x and y vector components of a vector are the orthogonal projections, as illustrated in Figure 2.16, of this vector onto the x- and y-axes, respectively. In this way, following the parallelogram rule for vector addition, each vector on a Cartesian plane can be expressed as the vector sum of its vector components:
英語のヒント
平面内の直交(デカルト)xy座標系では、平面上の点を一組の座標(x, y)で表す。同様に、平面内のベクトルA→も、一組のベクトル座標で表される。ベクトルA→のx座標をx成分、ベクトルA→のy座標をy成分という。ベクトルとしてのx成分をA→x、y成分をA→yと表す。デカルト座標系では、図2.16のように、ベクトルのx方向とy方向のベクトル成分は、それぞれ元のベクトルをx軸とy軸へ正射影したものである。こうして、ベクトルの加算に関する平行四辺形の法則に従い、デカルト平面上の各ベクトルを、ベクトル成分の和として表せる。
A→=A→x+A→y.
(2.10)
As illustrated in Figure 2.16, vector A→ is the diagonal of the rectangle where the x-component A→x is the side parallel to the x-axis and the y-component A→y is the side parallel to the y-axis. Vector component A→x is orthogonal to vector component A→y.
英語のヒント
図2.16のように、ベクトルA→は長方形の対角線である。x成分A→xはx軸に平行な辺、y成分A→yはy軸に平行な辺に当たる。ベクトル成分A→xはベクトル成分A→yに直交する。
xy座標系で、ベクトルAが尾の点bから頭の点eへ、右上に伸びる。単位ベクトルiハットとjハットは、それぞれx方向とy方向を向く小さいベクトルで、互いに直角。Aのx成分は点bから点eの真下まで水平に伸びる。x軸上では、ベクトルA_xがx_bからx_eへ伸び、A_x iハットに等しい。A_x = x_e − x_bである。Aのy成分は、点bから点eの真左まで鉛直に伸びる。y軸上では、ベクトルA_yがy_bからy_eへ伸び、A_y jハットに等しい。A_y = y_e − y_bである。

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Figure 2.16図 2.16
Vector A→ in a plane in the Cartesian coordinate system is the vector sum of its vector x- and y-components. The x-vector component A→x is the orthogonal projection of vector A→ onto the x-axis. The y-vector component A→y is the orthogonal projection of vector A→ onto the y-axis. The numbers Ax and Ay that multiply the unit vectors are the scalar components of the vector.
英語のヒント
デカルト座標系の平面内のベクトルA→は、x方向とy方向のベクトル成分の和である。x方向のベクトル成分A→xは、A→をx軸へ正射影したもの。y方向のベクトル成分A→yは、A→をy軸へ正射影したものである。単位ベクトルに掛かる数AxとAyは、このベクトルのスカラー成分である。
It is customary to denote the positive direction on the x-axis by the unit vector i^ and the positive direction on the y-axis by the unit vector j^. Unit vectors of the axes, i^ and j^, define two orthogonal directions in the plane. As shown in Figure 2.16, the x- and y- components of a vector can now be written in terms of the unit vectors of the axes:
英語のヒント
通常、x軸の正方向を単位ベクトルi^、y軸の正方向を単位ベクトルj^で表す。軸の単位ベクトルi^とj^は、平面内の直交する二つの方向を定める。図2.16のように、ベクトルのx成分とy成分を、軸の単位ベクトルを使って次のように書ける。
{A→x=Axi^A→y=Ayj^.
(2.11)
The vectors A→x and A→y defined by Equation 2.11 are the vector components of vector A→. The numbers Ax and Ay that define the vector components in Equation 2.11 are the scalar components of vector A→. Combining Equation 2.10 with Equation 2.11, we obtain the component form of a vector:
英語のヒント
式2.11で定義したベクトルA→xとA→yは、ベクトルA→のベクトル成分である。式2.11でこれらのベクトル成分を定める数AxとAyは、ベクトルA→のスカラー成分である。式2.10と式2.11を組み合わせると、ベクトルの成分表示が得られる。
If we know the coordinates b(xb,yb) of the origin point of a vector (where b stands for “beginning”) and the coordinates e(xe,ye) of the end point of a vector (where e stands for “end”), we can obtain the scalar components of a vector simply by subtracting the origin point coordinates from the end point coordinates:
英語のヒント
ベクトルの起点の座標b(xb,yb)(bは「始まり」を表すbeginningの略)と、終点の座標e(xe,ye)(eは「終わり」を表すendの略)がわかれば、終点の座標から起点の座標を引くだけで、ベクトルのスカラー成分が得られる。
Example 2.3例題 2.3

Displacement of a Mouse Pointerマウスポインターの変位

A mouse pointer on the display monitor of a computer at its initial position is at point (6.0 cm, 1.6 cm) with respect to the lower left-side corner. If you move the pointer to an icon located at point (2.0 cm, 4.5 cm), what is the displacement vector of the pointer?
英語のヒント
コンピューターの画面で、マウスポインターの最初の位置が、画面左下の隅を基準として(6.0 cm, 1.6 cm)にある。ポインターを(2.0 cm, 4.5 cm)にあるアイコンへ動かしたとき、ポインターの変位ベクトルはいくらか。

Strategy方針

The origin of the xy-coordinate system is the lower left-side corner of the computer monitor. Therefore, the unit vector i^ on the x-axis points horizontally to the right and the unit vector j^ on the y-axis points vertically upward. The origin of the displacement vector is located at point b(6.0, 1.6) and the end of the displacement vector is located at point e(2.0, 4.5). Substitute the coordinates of these points into Equation 2.13 to find the scalar components Dx and Dy of the displacement vector D→. Finally, substitute the coordinates into Equation 2.12 to write the displacement vector in the vector component form.
英語のヒント
xy座標系の原点は、コンピューターの画面の左下の隅である。したがって、x軸の単位ベクトルi^は水平に右を向き、y軸の単位ベクトルj^は鉛直に上を向く。変位ベクトルの起点はb(6.0, 1.6)、終点はe(2.0, 4.5)にある。これらの座標を式2.13へ代入し、変位ベクトルD→のスカラー成分DxとDyを求める。最後に、式2.12へ座標を代入し、変位ベクトルをベクトル成分表示で書く。

Solution解答

We identify xb=6.0, xe=2.0, yb=1.6, and ye=4.5, where the physical unit is 1 cm. The scalar x- and y-components of the displacement vector are
英語のヒント
xb=6.0、xe=2.0、yb=1.6、ye=4.5と特定でき、物理単位は1 cmである。変位ベクトルのスカラーx成分とy成分は、次のようになる。
Dx=xe−xb=(2.0−6.0)cm=−4.0cm,Dy=ye−yb=(4.5−1.6)cm=+2.9cm.
The vector component form of the displacement vector is
英語のヒント
変位ベクトルのベクトル成分表示は、次のようになる。
D→=Dxi^+Dyj^=(−4.0cm)i^+(2.9cm)j^=(−4.0i^+2.9j^)cm.
(2.14)
This solution is shown in Figure 2.17.
英語のヒント
この解を図2.17に示す。
ベクトルDは座標(6.0, 1.6)から(2.0, 4.5)へ伸び、D = D_x + D_yである。D_x = −4.0 iハットで、x = 6.0から2.0へ伸びる。スカラー成分D_x = 2.0 − 6.0 = −4.0。D_y = +2.9 jハットで、y = 1.6から4.5へ伸びる。スカラー成分D_y = 4.5 − 1.6。

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Figure 2.17図 2.17
The graph of the displacement vector. The vector points from the origin point at b to the end point at e.
英語のヒント
変位ベクトルの図。ベクトルは、起点bから終点eへ向かう。

Significance意味の検討

Notice that the physical unit—here, 1 cm—can be placed either with each component immediately before the unit vector or globally for both components, as in Equation 2.14. Often, the latter way is more convenient because it is simpler.
英語のヒント
物理単位(ここでは1 cm)は、各成分の単位ベクトルの直前に付けても、式2.14のように両成分にまとめて付けてもよい。後者のほうが単純なので、便利な場合が多い。
The vector x-component D→x=−4.0i^=4.0(−i^) of the displacement vector has the magnitude |D→x|=|−4.0||i^|=4.0 because the magnitude of the unit vector is |i^|=1. Notice, too, that the direction of the x-component is −i^, which is antiparallel to the direction of the +x-axis; hence, the x-component vector D→x points to the left, as shown in Figure 2.17. The scalar x-component of vector D→ is Dx=−4.0.
英語のヒント
変位ベクトルのベクトルx成分D→x=−4.0i^=4.0(−i^)の大きさは|D→x|=|−4.0||i^|=4.0である。単位ベクトルの大きさが|i^|=1だからである。また、x成分の方向は−i^であり、+x軸の方向と反平行であることに注意しよう。したがって、図2.17のように、ベクトルx成分D→xは左を向く。ベクトルD→のスカラーx成分はDx=−4.0である。
Similarly, the vector y-component D→y=+2.9j^ of the displacement vector has magnitude |D→y|=|2.9||j^|=2.9 because the magnitude of the unit vector is |j^|=1. The direction of the y-component is +j^, which is parallel to the direction of the +y-axis. Therefore, the y-component vector D→y points up, as seen in Figure 2.17. The scalar y-component of vector D→ is Dy=+2.9. The displacement vector D→ is the resultant of its two vector components.
英語のヒント
同様に、変位ベクトルのベクトルy成分D→y=+2.9j^の大きさは|D→y|=|2.9||j^|=2.9である。単位ベクトルの大きさが|j^|=1だからである。y成分の方向は+j^で、+y軸の方向と平行である。したがって、図2.17のように、ベクトルy成分D→yは上を向く。ベクトルD→のスカラーy成分はDy=+2.9である。変位ベクトルD→は、二つのベクトル成分の合ベクトルである。
The vector component form of the displacement vector Equation 2.14 tells us that the mouse pointer has been moved on the monitor 4.0 cm to the left and 2.9 cm upward from its initial position.
英語のヒント
変位ベクトルの成分表示である式2.14は、マウスポインターが画面上で、最初の位置から左へ4.0 cm、上へ2.9 cm動いたことを示す。
When we know the scalar components Ax and Ay of a vector A→, we can find its magnitude A and its direction angle θA. The direction angle—or direction, for short—is the angle the vector forms with the positive direction on the x-axis. The angle θA is measured in the counterclockwise direction from the +x-axis to the vector (Figure 2.18). Because the lengths A, Ax, and Ay form a right triangle, they are related by the Pythagorean theorem:
英語のヒント
ベクトルA→のスカラー成分AxとAyがわかれば、大きさAと方向角θAを求められる。方向角、あるいは単に方向とは、ベクトルがx軸の正方向となす角である。角θAは、+x軸からベクトルまで反時計回りに測る(図2.18)。長さA、Ax、Ayは直角三角形を作るので、ピタゴラスの定理によって次の関係が成り立つ。
This equation works even if the scalar components of a vector are negative. The direction angle θA of a vector is defined via the tangent function of angle θA in the triangle shown in Figure 2.18:
英語のヒント
この式は、ベクトルのスカラー成分が負の場合にも成り立つ。ベクトルの方向角θAは、図2.18の三角形の角θAの正接関数によって定義される。
ベクトルAの水平なx成分はA_x iハット、鉛直なy成分はA_y jハットである。Aとその成分は、二辺の長さがA_xとA_y、斜辺の長さがAの直角三角形を作る。AはA_xの2乗とA_yの2乗の和の平方根に等しい。水平な辺A_xと斜辺Aのなす角はθ_Aである。

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Figure 2.18図 2.18
When the vector lies either in the first quadrant or in the fourth quadrant, where component Axis positive (Figure 2.19), the direction angle θA in Equation 2.16) is identical to the angle θ.
英語のヒント
ベクトルが、成分Axの正となる第1象限または第4象限にある場合(図2.19)、式2.16の方向角θAは角θと同一である。
When the vector lies either in the first quadrant or in the fourth quadrant, where component Ax is positive (Figure 2.19), the angle θ in Equation 2.16 is identical to the direction angle θA. For vectors in the fourth quadrant, angle θ is negative, which means that for these vectors, direction angle θA is measured clockwise from the positive x-axis. Similarly, for vectors in the second quadrant, angle θ is negative. When the vector lies in either the second or third quadrant, where component Ax is negative, the direction angle is θA=θ+180° (Figure 2.19).
英語のヒント
ベクトルが、成分Axの正となる第1象限または第4象限にある場合(図2.19)、式2.16の角θは方向角θAと同一である。第4象限のベクトルでは角θが負なので、方向角θAはx軸の正方向から時計回りに測る。第2象限のベクトルについても、角θは負である。ベクトルが、成分Axの負となる第2象限または第3象限にある場合、方向角はθA=θ+180°である(図2.19)。
図Iでは、Aは第1象限で右上を向く。x成分A_xとy成分A_yは正で、+x軸から反時計回りに測るθ_Aは90度未満。図IIでは、Aは第2象限で左上を向く。A_xは負、A_yは正で、+x軸から反時計回りのθ_Aは90度より大きく180度未満。−x軸から時計回りに測るθは90度未満。図IIIでは、Aは第3象限で左下を向く。両成分は負で、+x軸から反時計回りのθ_Aは180度より大きく270度未満。−x軸から反時計回りに測るθは90度未満。図IVでは、Aは第4象限で右下を向く。A_xは正、A_yは負で、+x軸から時計回りに測るθ_Aは90度未満。

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Figure 2.19図 2.19
Scalar components of a vector may be positive or negative. Vectors in the first quadrant (I) have both scalar components positive and vectors in the third quadrant have both scalar components negative. For vectors in quadrants II and III, the direction angle of a vector is θA=θ+180°.
英語のヒント
ベクトルのスカラー成分は、正にも負にもなりうる。第1象限(I)のベクトルは両成分が正で、第3象限のベクトルは両成分が負である。第2象限と第3象限のベクトルでは、方向角はθA=θ+180°となる。
Example 2.4例題 2.4

Magnitude and Direction of the Displacement Vector変位ベクトルの大きさと方向

You move a mouse pointer on the display monitor from its initial position at point (6.0 cm, 1.6 cm) to an icon located at point (2.0 cm, 4.5 cm). What are the magnitude and direction of the displacement vector of the pointer?
英語のヒント
画面上のマウスポインターを、最初の位置(6.0 cm, 1.6 cm)から、(2.0 cm, 4.5 cm)にあるアイコンへ移動する。ポインターの変位ベクトルの大きさと方向はいくらか。

Strategy方針

In Example 2.3, we found the displacement vector D→ of the mouse pointer (see Equation 2.14). We identify its scalar components Dx=−4.0cm and Dy=+2.9cm and substitute into Equation 2.15 and Equation 2.16 to find the magnitude D and direction θD, respectively.
英語のヒント
例題2.3で、マウスポインターの変位ベクトルD→を求めた(式2.14参照)。そのスカラー成分Dx=−4.0cmとDy=+2.9cmを特定し、式2.15と式2.16へ代入して、それぞれ大きさDと方向θDを求める。

Solution解答

The magnitude of vector D→ is
英語のヒント
ベクトルD→の大きさは、次のようになる。
D=Dx2+Dy2=(−4.0cm)2+(2.9cm)2=(4.0)2+(2.9)2cm=4.9cm.
The direction angle is
英語のヒント
方向角は、次のようになる。
tanθ=DyDx=+2.9cm−4.0cm=−0.725⇒θ=tan−1(−0.725)=−35.9°.
Vector D→ lies in the second quadrant, so its direction angle is
英語のヒント
ベクトルD→は第2象限にあるので、その方向角は次のようになる。
θD=θ+180°=−35.9°+180°=144.1°.