ベクトルで三角形の面積を求める - 高校数学の計算手順

三角形の面積は「底辺 × 高さ ÷ 2」で求められますが、座標やベクトルが与えられている場合、高さを直接求めるのは手間がかかります。ベクトルの成分を使った公式を知っておくと、機械的な計算だけで面積が出せます。

2 つのベクトルから三角形の面積を求める公式

$\vec{a}=(a_1,a_2)$、$\vec{b}=(b_1,b_2)$ を 2 辺とする三角形の面積 $S$ は

$$S=\frac{1}{2}|a_1{b}_2-a_2{b}_1|$$

で求まります。$a_1{b}_2-a_2{b}_1$ は平行条件の判定でも登場した「たすき掛けの差」で、絶対値を取って 2 で割ると面積になります。

この値がゼロになる場合は、2 つのベクトルが平行であることを意味し、三角形がつぶれて面積がゼロになります。平行条件と面積の公式は表裏一体の関係にあるわけです。

公式の導出

$\vec{a}$ と $\vec{b}$ のなす角を $\theta$ とすると、三角形の面積は

$$S=\frac{1}{2}|\vec{a}||\vec{b}|\sin \theta$$

です。ここで $\sin \theta$ をベクトルの成分で表すことを考えます。

内積の定義から $\vec{a}\cdot \vec{b}=|\vec{a}||\vec{b}|\cos \theta$ なので

$$\cos \theta =\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2}{|\vec{a}||\vec{b}|}$$

${\sin }^2\theta +{\cos }^2\theta =1$ を使って ${\sin }^2\theta$ を求めると

$${\sin }^2\theta =1-{\cos }^2\theta =1-\frac{(a_1{b}_1+a_2{b}_2{)}^2}{|\vec{a}{|}^2|\vec{b}{|}^2}$$

分母を $|\vec{a}{|}^2|\vec{b}{|}^2=(a_1^2+a_2^2)(b_1^2+b_2^2)$ として計算を進めると

$$|\vec{a}{|}^2|\vec{b}{|}^2{\sin }^2\theta =(a_1^2+a_2^2)(b_1^2+b_2^2)-(a_1{b}_1+a_2{b}_2{)}^2$$

右辺を展開すると

$$a_1^2{b}_1^2+a_1^2{b}_2^2+a_2^2{b}_1^2+a_2^2{b}_2^2-a_1^2{b}_1^2-2a_1{a}_2{b}_1{b}_2-a_2^2{b}_2^2$$

$$=a_1^2{b}_2^2-2a_1{a}_2{b}_1{b}_2+a_2^2{b}_1^2=(a_1{b}_2-a_2{b}_1{)}^2$$

したがって

$$|\vec{a}||\vec{b}|\sin \theta =|a_1{b}_2-a_2{b}_1|$$

となり、面積の公式

$$S=\frac{1}{2}|a_1{b}_2-a_2{b}_1|$$

が得られます。

3 点の座標から三角形の面積を求める

3 点 $\mathrm{A}(x_1,y_1)$、$\mathrm{B}(x_2,y_2)$、$\mathrm{C}(x_3,y_3)$ が与えられている場合、2 辺のベクトルを作ってから公式に代入します。

$$\overrightarrow{\mathrm{AB}}=(x_2-x_1,y_2-y_1),\overrightarrow{\mathrm{AC}}=(x_3-x_1,y_3-y_1)$$

として

$$S=\frac{1}{2}|(x_2-x_1)(y_3-y_1)-(y_2-y_1)(x_3-x_1)|$$

が三角形 $\mathrm{ABC}$ の面積です。

例題 1：ベクトルの成分から面積を求める

$\vec{a}=(3,1)$、$\vec{b}=(1,4)$ を 2 辺とする三角形の面積を求めます。

$$S=\frac{1}{2}|3\times 4-1\times 1|=\frac{1}{2}|12-1|=\frac{11}{2}$$

例題 2：3 点の座標から面積を求める

$\mathrm{A}(1,2)$、$\mathrm{B}(4,6)$、$\mathrm{C}(5,1)$ の三角形の面積を求めます。

$$\overrightarrow{\mathrm{AB}}=(3,4),\overrightarrow{\mathrm{AC}}=(4,-1)$$

$$S=\frac{1}{2}|3\times (-1)-4\times 4|=\frac{1}{2}|-3-16|=\frac{1}{2}\times 19=\frac{19}{2}$$

例題 3：面積がゼロになる場合

$\mathrm{A}(1,1)$、$\mathrm{B}(3,3)$、$\mathrm{C}(5,5)$ の三角形の面積を計算します。

$$\overrightarrow{\mathrm{AB}}=(2,2),\overrightarrow{\mathrm{AC}}=(4,4)$$

$$S=\frac{1}{2}|2\times 4-2\times 4|=\frac{1}{2}|8-8|=0$$

面積がゼロになりました。これは 3 点が一直線上にある（共線である）ことを意味しています。実際 $\overrightarrow{\mathrm{AC}}=2\cdot \overrightarrow{\mathrm{AB}}$ なので 2 つのベクトルは平行であり、三角形は形成されません。

例題 4：面積の条件から未知数を求める

$\mathrm{A}(0,0)$、$\mathrm{B}(3,1)$、$\mathrm{C}(1,t)$ の三角形の面積が $5$ であるとき、$t$ の値を求めます。

$$\overrightarrow{\mathrm{AB}}=(3,1),\overrightarrow{\mathrm{AC}}=(1,t)$$

$$S=\frac{1}{2}|3t-1|=5$$

$$|3t-1|=10$$

絶対値を外すと

$$3t-1=10\text{または}3t-1=-10$$

$$t=\frac{11}{3}\text{または}t=-3$$

$t$ の値は 2 つ得られます。これは点 $\mathrm{C}$ が直線 $\mathrm{AB}$ の上側と下側のどちらにあっても同じ面積の三角形が作れることに対応しています。

内積との関係を整理する

面積の公式に登場する $a_1{b}_2-a_2{b}_1$ と、内積 $a_1{b}_1+a_2{b}_2$ は対になる量です。

内積がゼロなら垂直、たすき掛けの差がゼロなら平行という判定は、ベクトルの 2 つの基本的な位置関係にそれぞれ対応しています。三角形の面積は平行四辺形の面積の半分なので、$\frac{1}{2}|a_1{b}_2-a_2{b}_1|$ が面積公式になるという構造です。