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$3$ つのベクトル $\overrightarrow{a_1} = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}$, $\overrightarrow{a_2} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}$, $\overrightarrow{a_3} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}$ に対し

$\overrightarrow{e_1} = \dfrac{\overrightarrow{a_1}}{|\overrightarrow{a_1}|}$

$\overrightarrow{v_2} = \overrightarrow{a_2} - \left( \overrightarrow{a_2} \cdot \overrightarrow{e_1} \right) \overrightarrow{e_1}$

$\overrightarrow{e_2} = \dfrac{\overrightarrow{v_2}}{|\overrightarrow{v_1}|}$

$\overrightarrow{v_3} = \overrightarrow{a_3} - \left( \overrightarrow{a_3} \cdot \overrightarrow{e_1} \right) \overrightarrow{e_1} - \left( \overrightarrow{a_3} \cdot \overrightarrow{e_2} \right) \overrightarrow{e_2}$

$\overrightarrow{e_3} = \dfrac{\overrightarrow{v_3}}{|\overrightarrow{v_3}|}$

と定める。

この時 $\overrightarrow{e_3}$ を以下の選択肢から選びなさい。

$\dfrac{1}{\sqrt{30}} \begin{pmatrix} -2 \\ 5 \\ 1 \end{pmatrix}$

$\dfrac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}$

$\dfrac{1}{\sqrt{43}} \begin{pmatrix} 3 \\ 5 \\ 3 \end{pmatrix}$

$\dfrac{1}{\sqrt{19}} \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}$

順に計算していくと

$\overrightarrow{e_1} = \dfrac{\overrightarrow{a_1}}{|\overrightarrow{a_1}|} = \dfrac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}$

$\begin{eqnarray*} \overrightarrow{v_2} & = & \overrightarrow{a_2} - \left( \overrightarrow{a_2} \cdot \overrightarrow{e_1} \right) \overrightarrow{e_1}\\[1em] & = & \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix} - 0\cdot \dfrac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}\\[1em] & = & \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix} \end{eqnarray*}$

$\overrightarrow{e_2} = \dfrac{\overrightarrow{v_2}}{|\overrightarrow{v_1}|} = \dfrac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}$

$\begin{eqnarray*} \overrightarrow{v_3} & = & \overrightarrow{a_3} - \left( \overrightarrow{a_3} \cdot \overrightarrow{e_1} \right) \overrightarrow{e_1} - \left( \overrightarrow{a_3} \cdot \overrightarrow{e_2} \right) \overrightarrow{e_2}\\[1em] & = & \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} - 0\cdot \dfrac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} - \dfrac{2}{\sqrt{5}}\cdot \dfrac{1}{\sqrt{5}}\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}\\[1em] & = & \dfrac{1}{5}\begin{pmatrix} -2 \\ 5 \\ 1 \end{pmatrix} \end{eqnarray*}$

$\overrightarrow{e_3} = \dfrac{\overrightarrow{v_3}}{|\overrightarrow{v_3}|} = \dfrac{1}{\sqrt{30}} \begin{pmatrix} -2 \\ 5 \\ 1 \end{pmatrix}$

よって $\overrightarrow{e_3} = \dfrac{1}{\sqrt{30}} \begin{pmatrix} -2 \\ 5 \\ 1 \end{pmatrix}$ である。