空間ベクトルのソースを表示

{{出典の明記|date=2012-1}}
{{Expand English|Euclidean vector|date=2024年5月}}
'''空間ベクトル'''（くうかんベクトル、{{lang-de|Vektor}}, {{lang-en|vector}}, {{lang-la|vector}}, 「運搬者、運ぶもの」より）は、大きさと向きを持った量である。'''ベクタ'''、'''ベクター'''ともいう。漢字では{{要出典|範囲='''有向量'''|date=2025-03-02}}と表記される。ベクトルで表される[[量]]を'''ベクトル量'''と呼ぶ。

例えば、[[速度]]や[[加速度]]、[[力 (物理学)|力]]はベクトルである。平面上や空間内の矢印（[[有向線分]]）として[[幾何学]]的にイメージされる。ベクトルという用語は[[ウィリアム・ローワン・ハミルトン|ハミルトン]]によって[[スカラー (数学)|スカラー]]などの用語とともに導入された。スカラーはベクトルとは対比の意味を持つ。

この記事では、[[ユークリッド空間]]内の幾何ベクトル、とくに[[3次元]]のものについて扱い、部分的に一般化・抽象化された場合について言及する。本項目で特に断り無く空間と呼ぶときは、[[3次元実ユークリッド空間]]のことを指す。

== 数学的な記述 ==
[[Image:OrderedLineSegment.png|thumb|right|点 S を始点とし、点 T を終点とする有向線分]]
空間内に二つの点 ''S'' と ''T'' をとり、''S'' から ''T'' へ向かう[[線分]]を'''有向線分'''と呼ぶ。''S'' を'''始点'''（してん、<span lang=en>initial point, source</span>, しっぽ）、''T'' を'''終点'''（しゅうてん、<span lang=en>terminal point, target</span>, あたま）と呼び、向きの区別のために終点 ''T'' の側の端に山を書いて線分を矢印にする。

[[image:SameVectors.png|thumb|right|互いに同じ向きに平行な長さの等しい有向線分に対応するベクトルは互いに等しい]]
ある点 ''S'' に向きと大きさを持った量 '''v''' が作用しているとき、'''v''' の作用と同じ向きで、長さが '''v''' の作用の大きさに比例するように有向線分 <math>\overrightarrow{ST}</math> をとって '''v''' を
:<math>\mathbf{v} = \overrightarrow{ST}</math>
と表現する。

別の点 ''S''&prime; に同じように '''v''' の作用の向き、大きさにあわせて有向線分 <math>\overrightarrow{S'T'}</math> をつくるとこれらは互いに平行 <math>(\overrightarrow{ST} \parallel \overrightarrow{S'T'})</math> になるが、これも元の量 '''v''' を表すものとして
:<math>\mathbf{v} = \overrightarrow{S'T'}</math>
と記し、同じものとみなすというのが向きと大きさを持った量という'''ベクトル'''の概念の幾何学的な表現（'''幾何学的ベクトル'''）である。

[[Image:Scalar multiplication of vectors.png|thumb|left|ベクトルのスカラー倍]]
あるベクトル '''a''' と同じ方向で大きさの比率（'''スカラー'''）が ''k'' であるようなベクトルを ''k'''''a''' と表す。また、'''a''' と同じ大きさで逆の向きを持つベクトルは &minus;'''a''' と表す。同様に、'''a''' と逆の向きを持ち大きさの比率が ''k'' であるようなベクトルは &minus;''k'''''a''' と記す。これをベクトル '''a''' のスカラー ''k'' 倍あるいは単に'''スカラー倍'''（スカラー乗法）と呼ぶ。

[[Image:Vector addition.png|thumb|right|ベクトルの和]]
二つのベクトル '''a''', '''b''' の和 '''a''' + '''b''' を、それらの始点を合わせたときにできる平行四辺形の（始点を共有する）対角線に対応するベクトルと定める（三つ以上のベクトルの和も、二つの和をとる演算から帰納的に定める）。'''a''', '''b''' がどんなものであっても '''a''' + '''b''' = '''b''' + '''a''' が成り立っていることに注意されたい。

また逆に、あるベクトルを二つ（以上）の異なるベクトルの和に分解することができる。特に''xyz''-空間の各軸の方向で長さ 1 の有向線分に対応するベクトル（'''基本ベクトル'''、[[単位ベクトル]]）を ''x'', ''y'', ''z'' の各軸でそれぞれ '''i''', '''j''', '''k''' と置くと、任意のベクトル '''v''' は
:<math>\mathbf{v} = v_x \mathbf{i} + v_y \mathbf{j} + v_z \mathbf{k}</math>
の形に表せる。

ここで、[[ピタゴラスの定理]]を用いると、ベクトル '''v''' の大きさ ||'''v'''|| は
:<math>\lVert\mathbf{v}\rVert = \sqrt{v_x^2 + v_y^2 + v_z^2}</math>
によって求まる。

ベクトルの始点を ''xyz''-座標系の原点に合わせると、任意のベクトルはその終点の座標によって一意的に表すことができる。
:<math>\mathbf{v} := v_x \mathbf{i} + v_y \mathbf{j} + v_z \mathbf{k}
  \leftrightarrow (v_x, v_y, v_z) =: P(\mathbf{v}).
</math>
このとき、空間内の点 ''Q'' に対して ''Q'' = ''P''('''v''') となるベクトル '''v''' を点 ''Q'' の'''[[位置ベクトル]]'''と呼ぶ。

==歴史==
いわゆる矢印ベクトルは物理学の教育では力学の初歩から導入されるため、ベクトルも古典力学と同時に発生したと思われるかもしれないが、実はもっと後の19世紀になって現れたものである。今でこそベクトルや行列などを使って、物理学や幾何の問題を解くといったことは常識であるが、ベクトルが誕生する以前の数学や物理学では[[初等幾何学]]、[[解析幾何学]]や[[四元数]]などを利用していた。今日我々が知っているベクトルの概念は、およそ200年もの時間を掛けて徐々に形成されてきたものである。そこでは何十人もの人々が重要な役割を果たしてきた<ref name="Crowe">Michael J. Crowe, [[A History of Vector Analysis]]; see also his [https://web.archive.org/web/20040126161844/http://www.nku.edu/~curtin/crowe_oresme.pdf lecture notes] on the subject.</ref>。ベクトルの先祖は[[四元数]]であり、ハミルトンが1843年に複素数の一般化によって考案したものである。ハミルトンは最初に、二次元における複素数と複素平面のような関係を満たすような数を三次元空間にも見いだそうとしたが失敗し、なぜか三つの数の組では二次元の場合の複素数と複素平面のように三次元空間を記述できないことが判明した。

研究の結果、最終的に四次元の四元数へとたどり着くこととなった。三次元空間を記述するのに、数が三組では記述が不可能でなぜか四組必要だったのである。二次元では、二組の数である複素数を用いることによって、複素平面を二次元ユークリッド平面と同等とみなすとベクトルに似た概念が記述できるというのに、三次元空間を記述するのに四次元の数が必要だったのである。ハミルトンは1846年に四元数の複素数における実部と虚部に相当するものとしてスカラーとベクトルという用語を導入した:

:代数的な虚部(ベクトル)は、幾何的には直線または半径ベクトルであり、それらは一般的には、各々の四元数によって決定され、空間における向きと長さが定まり、それを虚部または単に四元数のベクトルと呼ぶ<ref>W. R. Hamilton (1846) ''London, Edinburgh & Dublin Philosophical Magazine'' 3rd series 29 27</ref>。

{{仮リンク|ベラヴィティス|en|Giusto Bellavitis}}、コーシー、グラスマン、メビウス、{{仮リンク|セイントベナント|en|Comte de Saint-Venant}}、{{仮リンク|マシュー・オブライエン|en|Matthew O'Brien (mathematician)}}といったハミルトン以外の何人かの数学者たちは同時期にベクトルに似た概念を開発した。グラスマンの1840年の論文「減衰と流れの理論」は空間解析の最初の体系であって、今日の体系と類似したものであり、今日の外積、内積、ベクトルの微分に相当する概念が含まれていた。グラスマンの業績は1870年代まで不当に無視され続けていた<ref name="Crowe"/>。

[[ピーター・テイト]]はハミルトンの後に四元数の基礎を確立した。テイトの1867年の「四元数の初等的理論」には今日の∇(ナブラ)演算子に相当する概念が含まれていた。

{{仮リンク|ウィリアム・クリフォード|en|William Kingdon Clifford}}は1878年に{{仮リンク|力学原論|en|Elements of Dynamic}}を出版した。ここでクリフォードは完備四元数積から今日の二つのベクトルの外積、内積に相当する概念を抽出した。このアプローチは四次元の実在に疑念を抱いている技術者などの人々にベクトル解析を通じて三次元空間の解析を行う手段を提供したといえる。

アメリカの物理学者[[ウィラード・ギブス|ギブス]]は、現代的なベクトル解析を用いたものに四元数ベースで書かれていた[[ジェームズ・クラーク・マクスウェル|マクスウェル]]の電磁気学の著書、「Treatise on Electricity and Magnetism」を書き直した。電磁気学の数理はベクトルが登場するまでは四元数が用いられており、ニュートン力学が初等幾何学ベースで後世の科学者らに現代風の解析学を用いる数理に書き換えられたのと同様、マクスウェルのオリジナルのものは四元数ベースであり今日教えられているベクトルベースの電磁気学もまた後世の科学者らによって書き換えられたものである。ギブスは自身の[[イェール大学]]での講義を元にベクトル解析の専門書「Elements of Vector Analysis」の最初の分冊を1881年に出版したが、ここでは今日用いられているベクトル解析の基本概念が概ね確立されているといえる<ref name="Crowe" />。この講義録は英国の[[オリヴァー・ヘヴィサイド|ヘヴィサイド]]にも送られ評価された。教え子の{{仮リンク|エドウィン・ウィルソン|en|Edwin Bidwell Wilson}}が1901年に出版した「Vector Analysis」はギブスの講義を元に書かれており、四元数の名残を完全に抹消し今日のベクトル解析の基礎を確立した最初の著作であるといえる。

これ以降、理工学ではベクトルの概念が盛んに用いられるようになり、四元数は一旦廃れたものの、20世紀後半以降コンピュータの発達により三次元空間のプログラミングに四元数が一部で再び用いられている。

更に20世紀に入ると[[線型代数学]]の発達によりベクトルの概念も抽象化し、向きを持った直線の矢印で表せる具体的な幾何ベクトルのみならず線型空間と関連した抽象的存在としても認識されるようになっていく。20世紀後半になると線型代数は教育にも取り入れられるようになり、昔ながらの初等幾何学や解析幾何学よりもベクトルや線型代数を用いて幾何学や物理学の問題が教育されるようになった。日本の大学でも戦後から1970年代ぐらいまでの間に理系の学生の必修科目としての「解析幾何学」や「代数・幾何」が「行列と行列式」、「線型代数」といった科目に取って代わられていった。現代ではこれらは歴史はほとんど教えられずに適度に取捨選択しつつ複合的に教育されているが、歴史的には概ね初等幾何学、解析幾何学、ベクトル解析、線型代数の順番に発達してきたものである。これに伴って解析学や物理数学の教育も変遷し、20世紀前半以前のものは解析幾何学などの幾何色が強いが、20世紀後半のものはベクトルや線型代数を取り入れた抽象的なものが主流となっていった。

==参考文献==
{{脚注ヘルプ}}
<references />

==関連項目==
*[[代数学]]
*[[解析幾何学]]
*[[線型代数学]]
*[[ベクトル空間]]
*[[ベクトル解析]]
*[[複素数]]
*[[複素平面]]
*[[四元数]]
*[[力の平行四辺形]]
* {{仮リンク|ベルソル|en|Versor_(disambiguation)|}}

{{Linear algebra}}
{{Normdaten}}
{{デフォルトソート:くうかんへくとる}}
[[Category:ベクトル]]
[[Category:物理数学]]
[[Category:線型代数学]]
[[Category:初等数学]]
[[Category:数学に関する記事]]
[[Category:空間]]
[[Category:方向]]