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角の二等分線と内心の位置ベクトル〜単位ベクトルの和が向きを決める

のとき、 を二等分する向きは です。

では二等分しません。長さが違うと、平行四辺形の対角線は長いほうへ寄ってしまう。

長さを にそろえてから足します。単位ベクトル 2 本でできる平行四辺形は菱形なので、対角線がちょうど角を半分に切る。

単位ベクトルの和が向きを決める

の単位ベクトルを とします。

この 2 本を辺とする平行四辺形は、隣り合う辺の長さがどちらも 。つまり菱形です。

菱形の対角線は頂点の角を二等分します。だから が二等分線の向きになる。

二等分線上の点 は、実数 を使って次のように書けます。

例:二等分線の向きを求める

とします。単位ベクトルは

分母の は向きに関係しません。向きだけでよければ と答える。係数が長さの逆になっているところが特徴。

例:長さをそろえないとずれる

同じ を考える。これも平行四辺形の対角線ですが、菱形ではありません。

のほうが長いため、対角線は の側へ寄る。角は半分になりません。

が二等分線になるのは のときだけ。長さが等しいと平行四辺形が菱形になるからです。

角の二等分線と対辺の比

三角形 で、 の二等分線が辺 と交わる点を とします。このとき が成り立つ。

辺の長さを と書けば です。

単位ベクトルの和で二等分線の向きを決める

その向きと直線 BC の交点として D を決める

内分の比 c : b を読む

例:D の位置ベクトルを求める

を始点にとります。 に内分するので、重みが入れかわった形になる。

単位ベクトルの側からも確かめられる。二等分線の向きは

分子が同じ形なので、向きも一致する。2 通りの道が同じ点を指しています。

例:辺の長さが与えられたとき

の三角形で を求める。 です。

だから

係数の和が になっていることも確かめられます。 が直線 上にある証拠です。

内心の位置ベクトル

3 本の内角の二等分線は 1 点で交わります。その点が内心で、3 辺から等しい距離にある。

内心 の位置ベクトルは、向かい合う辺の長さを重みにした平均になる。

重みが「その頂点の向かいの辺の長さ」であるところが要点。頂点 の重みは の長さ です。

を始点にとれば となり、覚える形が 1 つ減る。

例:座標で内心を求める

の直角三角形で内心を求めます。

内接円の半径も で、 軸と 軸の両方に接しています。 が直角だから二等分線は直線 で、内心がその上に乗っていることも読める。

例:内心を AD 上の点として読む

で書き直します。 でした。

は線分 に内分する点です。 なら

例:外角の二等分線

内角ではなく外角を二等分する向きは、単位ベクトルの差になる。 が、その向き。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

菱形の 2 本の対角線は直交するため、内角の二等分線と外角の二等分線は垂直になります。 なら、外角の向きは

例:係数の和から内心の位置を読む

の係数の和は で、 より小さい。

和が なら点は辺 の上、 を超えると三角形の外側に来ます。 より小さいから、内心はかならず内部にある。

三角形の内部にあることが、係数の和を見るだけで決まりました。

単位ベクトルの和

向きだけがほしいときに速い。長さを にそろえて足す

内分の比

上の点として書きたいときに使う。重みは向かいの辺の長さ

「二等分線の方向ベクトルを求めよ」なら前者、「交点の位置ベクトルを求めよ」なら後者。問われている形で選びます。

の三角形で、 の二等分線と の交点を とします。 の長さはどれですか。

__RESULT__

なので、 です。比を逆にとると になります。 の中点と見ると ですが、二等分線が対辺の中点を通るのは のときだけ。

まちがえやすいところ

をそのまま二等分線の向きにする形が、いちばん多い誤りです。長さを にそろえてから足します。

内分の重みも入れかわります。 に内分する点なら、重みは の順。内心の重みも、その頂点の隣ではなく向かいの辺の長さです。

長さを にそろえてから足す。この 1 つの操作が、二等分線にも内心にもつながっています。

$|\vec{a}|=3$、$|\vec{b}|=5$ のとき、$\angle AOB$ を二等分する向きは $\dfrac{\vec{a}}{3}+\dfrac{\vec{b}}{5}$ です。$\vec{a}+\vec{b}$ だと平行四辺形の対角線が長いほうへ寄ってしまう。長さを $1$ にそろえれば菱形になり、対角線がちょうど角を半分に切ります。二等分線が対辺を $AB:AC$ に分けることも、$\overrightarrow{AD}=\dfrac{b\overrightarrow{AB}+c\overrightarrow{AC}}{b+c}$ という同じ分子からたどれる。内心は向かいの辺の長さを重みにした平均で、$AD$ を $(b+c):a$ に内分します。外角の二等分線が単位ベクトルの差になる理由まで。