二点を通る直線

異なる 22 点を通る直線は、ただ 11 本に決まります。点が 11 つだけでは、そこを通る直線はいくらでも引けますが、22 つ目の点を決めた瞬間に向きが定まり、直線は 11 本しか残りません。ここでは A(1,1)A(1, 1)B(3,5)B(3, 5)22 点を通る直線を求めます。

傾きを求める

傾きxx11 増えるあいだに yy がどれだけ増えるかを表し、22 点の yy の差を xx の差で割って計算します。

5131=42=2\frac{5 - 1}{3 - 1} = \frac{4}{2} = 2

式を作る

傾き 22 で点 A(1,1)A(1, 1) を通ることから式を作ります。直線を y=2x+by = 2x + b とおき、AA の座標を代入すると 1=21+b1 = 2 \cdot 1 + b より b=1b = -1 です。よって直線の式は y=2x1y = 2x - 1 となります。

もう一方の点 B(3,5)B(3, 5) でも確かめましょう。231=52 \cdot 3 - 1 = 5 となり、確かに BB を通ります。AA の代わりに BB を代入して bb を求めても同じ b=1b = -1 が出るので、どちらの点を使ってもかまいません。

点と傾きから作る形

一般に、22(x1,y1)(x_1, y_1)(x2,y2)(x_2, y_2) を通る直線の傾きは y2y1x2x1\dfrac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} です。これを mm とすると、点 (x1,y1)(x_1, y_1) を通り傾き mm の直線は次の式で書けます。

yy1=m(xx1)y - y_1 = m(x - x_1)

この形なら切片 bb を計算しなくてもすぐ式が立ちます。実際 y1=2(x1)y - 1 = 2(x - 1) を整理すれば y=2x1y = 2x - 1 です。

22 点をそのまま使う形

22 点の座標をそのまま入れた次の形もよく使われます。

yy1y2y1=xx1x2x1\frac{y - y_1}{y_2 - y_1} = \frac{x - x_1}{x_2 - x_1}

左辺と右辺は、AA から BB へ向かうとき縦にどれだけ進んだか、横にどれだけ進んだかの割合を表していて、直線の上ではこの 22 つの割合がつねに等しくなります。A(1,1)A(1, 1)B(3,5)B(3, 5) を入れると y14=x12\dfrac{y - 1}{4} = \dfrac{x - 1}{2} となり、整理すればやはり y=2x1y = 2x - 1 です。

縦の直線をふくむ形

x1=x2x_1 = x_2 のときだけは注意が必要です。22 点の xx が同じだと分母が 00 になり、傾きが定まりません。このとき 22 点を通るのは縦の直線で、その式は y=mx+by = mx + b の形では書けず、x=x1x = x_1 と書きます。yy 軸に平行な直線は傾きをもたないのです。

分母をはらった次の形なら、この場合も分けずに書けます。

(y2y1)(xx1)=(x2x1)(yy1)(y_2 - y_1)(x - x_1) = (x_2 - x_1)(y - y_1)

x1=x2x_1 = x_2 を入れると右辺が 00 になり、22 点は異なるので y2y1y_2 \neq y_1 から x=x1x = x_1 が残ります。縦の直線もこの 11 つの式で表せるわけです。

媒介変数で表す

22 点を結ぶ向きに沿って進む書き方もあります。tt を実数として、次のように表せます。

x=x1+t(x2x1)y=y1+t(y2y1)\begin{align*} x &= x_1 + t(x_2 - x_1) \\ y &= y_1 + t(y_2 - y_1) \end{align*}

t=0t = 0AAt=1t = 1BB に対応し、0t10 \leq t \leq 1 の範囲が線分 ABAB、それ以外が線分の外側の部分にあたります。この形も縦の直線をそのまま表せます。

共線の判定

33 点が同じ直線上に並んでいるかを確かめたいときも、この考え方を使います。AABB から求めた傾きと、AACC から求めた傾きが等しければ、33 点は一直線上にあります。分母を気にせず書くなら、次の式が 00 になることが条件です。

(x2x1)(y3y1)(x3x1)(y2y1)(x_2 - x_1)(y_3 - y_1) - (x_3 - x_1)(y_2 - y_1)

この値は 33 点が作る三角形の面積を 22 倍したもの(符号つき)にあたります。00 になることは三角形がつぶれること、つまり 33 点が一直線に並ぶことを意味します。

グラフ上の大きな点が、通る 22AABB です。