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直線のベクトル方程式と媒介変数表示:通る点と方向ベクトルで決まる

を通り、ベクトル に平行な直線をとります。この直線上の点は と表せる。

なら 自身、 なら なら です。 を動かすと、点が直線をなぞっていきます。

を消すと になります。通る点と向きの 2 つで、直線が 1 本に決まる。

通る点と向きで直線が決まる

直線上の 1 点 の位置ベクトルを 、直線に平行なベクトルを とします。この を方向ベクトルと呼びます。

直線上の点 の位置ベクトルを とすると、 に平行。実数 を使って と書けます。

なので、移項すれば次の形になる。

これが直線のベクトル方程式です。 を媒介変数といい、 が実数全体を動くと は直線全体を動きます。

では向きが決まりません。方向ベクトルには でないものをとる。

成分に分けて媒介変数表示にする

と置いて成分で書き直します。

この 2 つの式を媒介変数表示といいます。 が別々の式に分かれるため、あとは を消すところへ進める。

通る点と方向ベクトルを決める

成分に分けて 2 つの式にする

t を消して x と y の式にする

消し方は決まっていません。 が解きやすいほうの式から の形を作り、もう一方へ代入します。

例:点と方向ベクトルから直線の式へ

の場合を計算する。

下の式から 。これを上の式に入れると になります。

展開して 、つまり 。傾き 切片 の直線です。

例:方向ベクトルの成分に 0 があるとき

の場合は となります。

の式に が現れません。消すまでもなく が答えになる。

これは 軸に平行な直線です。傾きでは書けない直線も、ベクトルなら同じ形で扱えます。

2 点を通る直線

異なる 2 点 を通る直線では、 がそのまま方向ベクトルになる。

方向ベクトルを別に用意しなくてよいぶん、2 点が与えられた問題ではこちらが速い。

例:2 点を通る直線の媒介変数表示

とします。

上の式から 。下に代入すると になります。

両辺を 3 倍して 、整理すれば 。検算に を入れると で合いました。

係数の和が 1 の形

の括弧を外すと、別の形が現れます。

を足すと の係数の和が になる点は、直線 の上にあります。

と置けば かつ 。左右がそろって見やすい書き方です。

係数の和が という条件は原点の選び方によらないため、図形の問題で扱いやすくなります。

和が でないと、原点を動かしたときに指す点までずれてしまう。

例:t の値と点の位置

の値を見れば、点がどこにあるかが決まります。

なら点 に一致します。
なら点 に一致します。
なら線分 の内部にあります。
なら より外側にあります。
なら より外側にあります。

なら 。係数がそのまま内分の比を表しています。

例:内分点として読む

とする。

成分で計算すると になります。

これは線分 に内分する点。 の分子と分母が、そのまま比の情報を持っています。

方向ベクトルは 1 通りではない

を何倍しても、表す直線は変わりません。 でも でも でも同じ直線になる。

通る点の選び方も自由です。直線上のどの点を にとっても、書き上がる直線は同じ。

例:同じ直線を別の形で表す

の上には もあります。

で書けば で書けば です。

から 。この対応で 2 つの表示がぴったり重なります。

答えが解答例と違う形になっても、方向ベクトルが定数倍で通る点が同じ直線上にあれば正しい。

例:点が直線上にあるかを調べる

の上にあるでしょうか。

から 。このとき で、 座標も一致します。だから直線上にある。

なら のとき にしかなりません。 には届かないので直線上にはない。

が同じ で同時に成り立つかどうかを見ます。片方だけ合っても足りません。

例:2 直線の交点を媒介変数で求める

とします。

交点では同じ点になるので、 が同時に成り立ちます。

2 つ目の式から 。1 つ目に入れると 、つまり

から 、よって です。交点は になりました。

媒介変数は直線ごとに別の文字にします。同じ で書くと、2 点が同時に同じ場所へ来る場合しか拾えません。

例:線分と半直線を表す

の範囲を制限すると、直線の一部だけをとり出せます。

なら線分 なら を端点として の側へ伸びる半直線になります。

とすれば、 が線分 を表す。

範囲を書き落とすと直線全体になってしまいます。図形の問題では、この 1 行が答えを分ける。

例:範囲を変えると図形が変わる

で動くとき、 が実数全体なら軌跡は直線 です。

ではどうなるか。 と置くと になります。

係数の和は のままなので直線 の上にありますが、 にあたる部分には行けません。 から の向きへ伸びる半直線が答えになる。

係数の和が かどうかで直線に乗るかが決まり、係数の動く範囲で乗る部分が決まります。

媒介変数表示

点の動きを で追える。線分や半直線のように範囲を切りたいときに向く

の式

点が直線上にあるかを代入 1 回で判定できる。2 直線の交点は連立で求める

問題文が「点 が動くとき」で始まっていれば媒介変数、「直線の方程式を求めよ」なら の式。求められている形に合わせて選びます。

を通り、 に平行な直線の方程式はどれですか。

__RESULT__

媒介変数表示は です。 を下に入れると となり、 になります。方向ベクトルの成分をそのまま係数に置いた は、 に垂直な直線のほう。

まちがえやすいところ

方向ベクトルの成分を、そのまま の係数に置いてしまう形が多い。 を係数にした は、その向きに垂直な直線を表します。

2 直線の交点では、媒介変数を直線ごとに別の文字にとります。同じ にすると、たまたま同時刻に同じ場所へ来る場合しか拾えません。

線分を答える問題では、範囲を書くところまでが答えです。 の 1 行を落とすと、直線全体を答えたことになる。

通る点と向きが分かれば式が書けます。この 2 つを問題文から拾うところから始まる。

点 $A(1,\ 2)$ を通り $\vec{d}=(3,\ 1)$ に平行な直線上の点は $(1+3t,\ 2+t)$ と書けます。$t$ を消せば $x-3y+5=0$ に戻る。通る点と方向ベクトルの 2 つで、直線が 1 本に決まります。方向ベクトルは定数倍しても同じ直線を指すため、解答例と形が違っても誤りとは限りません。2 点を通る形に直すと $(1-t)\vec{a}+t\vec{b}$ となって係数の和が $1$ になり、$t$ の値がそのまま内分の比。$t$ の範囲を切れば線分や半直線になります。直線上にあるかの判定、2 直線の交点、範囲を変えたときの軌跡まで。