図形の成す角


[1] 二直線
[2] 直線と平面
[3] 二平面


[1] 二直線

二直線 p1 = a1 + td1, p2 = a2 + td2 の成す角 θ は

θ = Cos-1 (|d1d2|/|d1||d2|)

で定義される。 即ち 0 ≦ θ ≦ π/2 (= 90°) で, |d1d2| = |d1||d2|cos θ.

この式の左辺の絶対値の意味は次の通りである:
二直線の成す角は基本的に方向ベクトル d1, d2  の成す角で良い。 ところが無反省にそのように定義すると, 図にみられるように, 二直線の成す角が π/2 < θ' ≦ π (= 180°) となってしまい, 普通二直線の成す角は 0 ≦ θ ≦ π/2 であるという直感に反する。

ところで上の図で θ + θ' = π 即ち θ' = π - θ なので cos θ' = cos(π - θ) = -cos θ. 即ちその単純且つ naïve な定義で起こる不都合は高々 cos の符号の違いでしか現れない。 又 0 ≦ θ ≦ π/2 では cos θ ≧ 0 であるから, |d1d2| と絶対値をつけておけば cos θ ≧ 0 が保証されるわけである。


[2] 直線と平面

直線 p = a + td と平面 n・(p - b) = 0 の成す角 θ は

θ = Sin-1 (|dn|/|d||n|) (= |Sin-1(dn/|d||n|)|)

で定義される。 即ち 0 ≦ θ ≦ π/2 で, |dn| = |d||n|sin θ.

絶対値がついている理由は [1] と同じであるが, sin になっている理由を説明しよう。 根本的な理由は, 直線の方向ベクトルは直線と平行だが, 平面の法線ベクトルは平面に垂直であるからこうなるのである。 平面と直線が平行の場合は, 平面の法線ベクトルもこの直線に垂直だから内積を採ると 0. この時 sin π/2 = 0 だから良い。 それ以外の場合, 即ち交わっている場合は, 必要なら平行移動して, 直線が p = td, 平面が np = 0 という形をしているとして良い。 更に |d| = |n| = 1 を仮定しても一般性を失わない (必要なら d ' = d/|d| &c. とすれば良い)。

この時 d1 = d - (dn)n と 置くと, d1n = dn - (dn)|n|2 = 0 であるから, d1 は平面 n・(p - b) = 0 上にある。 今この平面上にあり d1 と直交する単位ベクトルを d2 と置く。 さて, 今平面上の任意の点の位置ベクトルを p = cos φ d1 + sin φ d2 と置き, f(φ) = pd と置こう。

この時定義より

θ = ∠(d, d1)

は明らかだから,

f(φ) = cos φ cos θ + sin φ d2d

であるが, d, d1 の生成する平面と, d2 とは垂直であるから

f(φ) = cos φ cos θ

従って

cos θ = maxφ f(φ).

|p| = 1 より, f(φ) は p, d の成す角の cos を調べているので, θ は平面 n・(p - b) = 0 上のベクトルと直線  p = a + td の成す角の最小角を調べている事になる。 そして θ' = ∠(n, d) と置くと,

θ + θ' = π/2

より

cos θ' = cos(π/2 - θ) = sin θ

となる。


[3] 二平面

二平面

ni・(p - ai) = 0, i = 1, 2

の成す角 θ はそれらの法線ベクトルの成す角で定義される。 即ち

θ = Cos-1 (|n1n2|/|n1||n2|).

絶対値がついている理由は, [1] の場合と完全に同様である。


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