§A2.5点と直線

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座標平面上の点とは 2 つの実数の組(x,y)(x, y)のことであり、直線とはax+by+c=0ax + by + c = 0(a,ba, bは同時には00でない)という一次方程式を満たす点の全体のことです。 図形を数の計算に翻訳する、これが座標幾何の出発点です。

以下では、原点O=(0,0)O=(0,0)、互いに垂直なxx軸・yy軸、同じ単位長さをもつ通常の実数座標平面を使います。点を動かす図では、派生する直線や中点が定義どおりに計算される範囲だけを扱います。

下の図で、点 A をドラッグして動かしてみてください。A と B を通る直線、線分 AB、そして AB の中点 M が、計算に従って一斉に動きます。

1 覚える公式は3つの型に分かれる

A(x1,y1)\mathrm{A}(x_1, y_1),B(x2,y2)\mathrm{B}(x_2, y_2)とします。

  1. 距離(三平方の定理そのもの)AB=(x2−x1)2+(y2−y1)2\mathrm{AB} = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}
  2. 内分・外分点。m,n>0m,n>0とし、線分 AB をm:nm : n、すなわちAP:PB=m:n\mathrm{AP}:\mathrm{PB}=m:nに内分する点は(nx1+mx2m+n, ny1+my2m+n)\left( \frac{n x_1 + m x_2}{m + n},\ \frac{n y_1 + m y_2}{m + n} \right)外分は有向比を使い、n→−nn\to-nと置き換える。ただし分母がm−nm-nになるのでm≠nm\ne nが必要です。中点はm=n=1m=n=1の内分で、上の M です。
  3. 直線の方程式。傾きmmで点(x1,y1)(x_1, y_1)を通るならy−y1=m(x−x1)y - y_1 = m(x - x_1)2点を通る直線が鉛直でない、すなわちx1≠x2x_1\ne x_2のときは傾きm=y2−y1x2−x1m = \dfrac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}です。x1=x2x_1=x_2なら直線はx=x1x=x_1と書きます。

2 平行と垂直

両方の直線の傾きが定義されるとき、傾きをm1,m2m_1, m_2とすると、

  • 平行  ⟺  m1=m2\iff m_1 = m_2
  • 垂直  ⟺  m1m2=−1\iff m_1 m_2 = -1

垂直条件は「傾きの積が−1-1」と丸暗記して構いませんが、これは直線を90∘90^\circ回すと傾きが逆数の符号違いになる、という事実です。垂直線は傾きを持たないため、この公式の例外です。垂直線どうしは平行で、垂直線と水平線は垂直です。

傾きを使わないなら、直線aix+biy+ci=0a_i x+b_i y+c_i=0(i=1,2i=1,2)について、法線ベクトル(ai,bi)(a_i,b_i)を使って、平行は(a1,b1)(a_1,b_1)と(a2,b2)(a_2,b_2)が比例すること、垂直はa1a2+b1b2=0a_1a_2+b_1b_2=0と判定できます。こちらは鉛直線も含みます。

閑話休題:距離の定義を変えると、「円」が正方形になる この記事の距離の公式は三平方の定理、つまり「まっすぐ横切れる」世界の距離です。ところが碁盤の目の街では、ビルを斜めに突っ切れないので、実際に歩く距離は

d=∣x2−x1∣+∣y2−y1∣d = |x_2 - x_1| + |y_2 - y_1|

になります(マンハッタン距離、タクシー距離とも)。ここで遊んでみましょう。この距離で「原点からの距離がちょうど11の点の全体」——つまり“円”——を描くと、何になるか。∣x∣+∣y∣=1|x| + |y| = 1を図示すると、頂点が軸上に乗った正方形(45°傾いたひし形)が現れます。距離の定義を差し替えただけで、円の形が変わってしまうのです。

インチキに聞こえるでしょうか。しかし「距離」に本当に必要な性質——00以上で、一致するときだけ00、向きによらず、寄り道は近道より損(三角不等式)——をマンハッタン距離はすべて満たしていて、数学的にはユークリッド距離と同格の、れっきとした距離です。実際、配車アプリの到達時間やカーナビの経路計算では、こちらのほうが現実に近い。大学では「距離の公理を満たすものは何でも距離と呼ぶ」と割り切った距離空間という理論(位相空間論 I)が待っていて、そこではユークリッド距離は無数にある距離の1例にすぎません。定義を1つ差し替えると幾何学がまるごと変わる——その最初の実験が、この正方形の“円”です。

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

実数平面上の相異なる2点 A, B について、次の2点間の距離を求めよ。

解法の型距離 = (x2−x1)2+(y2−y1)2\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2}

  1. (1)A(2,−4), B(0,−5)\text{A}(2, -4),\ \text{B}(0, -5)
  2. (2)A(−5,−1), B(−1,3)\text{A}(-5, -1),\ \text{B}(-1, 3)
  3. (3)A(−5,6), B(4,3)\text{A}(-5, 6),\ \text{B}(4, 3)
  4. (4)A(4,4), B(4,−2)\text{A}(4, 4),\ \text{B}(4, -2)

実数平面上の相異なる点 A, B と m,n>0m,n>0 に対し、線分 ABAB を m:nm:n に内分する点の座標を求めよ。

解法の型内分点 = nA+mBm+n\dfrac{nA+mB}{m+n}

  1. (1)実数平面上の相異なる点 A, B があり、m,n>0m,n>0 とする。線分 ABAB を 1:21:2 に内分する点の座標を求めよ。A(7,1), B(4,4) を1:2に内分する点\text{A}(7, 1),\ \text{B}(4, 4)\ \text{を} 1 : 2 \text{に内分する点}
  2. (2)実数平面上の相異なる点 A, B があり、m,n>0m,n>0 とする。線分 ABAB を 1:31:3 に内分する点の座標を求めよ。A(−6,−1), B(−2,−9) を1:3に内分する点\text{A}(-6, -1),\ \text{B}(-2, -9)\ \text{を} 1 : 3 \text{に内分する点}
  3. (3)実数平面上の相異なる点 A, B があり、m,n>0m,n>0 とする。線分 ABAB を 1:31:3 に内分する点の座標を求めよ。A(−7,5), B(−3,−7) を1:3に内分する点\text{A}(-7, 5),\ \text{B}(-3, -7)\ \text{を} 1 : 3 \text{に内分する点}
  4. (4)実数平面上の相異なる点 A, B があり、m,n>0m,n>0 とする。線分 ABAB を 1:21:2 に内分する点の座標を求めよ。A(1,1), B(−5,10) を1:2に内分する点\text{A}(1, 1),\ \text{B}(-5, 10)\ \text{を} 1 : 2 \text{に内分する点}

実数平面上の相異なる2点で、x 座標が異なる A, B を通る直線の方程式を求めよ。

解法の型傾き = y2−y1x2−x1\dfrac{y_2-y_1}{x_2-x_1}。点と傾きから y−y1=a(x−x1)y-y_1=a(x-x_1)

  1. (1)A(0,0), B(3,6)\text{A}(0, 0),\ \text{B}(3, 6)
  2. (2)A(2,6), B(4,12)\text{A}(2, 6),\ \text{B}(4, 12)
  3. (3)A(5,−12), B(0,3)\text{A}(5, -12),\ \text{B}(0, 3)
  4. (4)A(−1,−3), B(−4,−12)\text{A}(-1, -3),\ \text{B}(-4, -12)

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