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3 点が一直線に並ぶかはどこを見れば分かるのか?ベクトルで書く条件

は一直線上に並んでいます。 で、 だからです[1]

同じ点から出る 2 本の矢印が平行なら、3 点は一直線に並ぶ。逆に、平行でなければ三角形ができます。

判定に使うのは実数 が 1 つ見つかるかどうか。角度も距離も測りません。

一直線上にある条件

異なる 3 点 について、 を作ります。

この 2 本が平行、つまり実数 を使って次のように書けるとき、3 点は一直線上に並びます[1,3]

始点は に限りません。 で比べても、同じ判定になります。

、つまり が同じ点だと、この式では判定できません。異なる 2 点を選びます。

例:座標で判定する

を調べます。 です。

成分が 成分が 。どちらも同じ で成り立つので一直線上にあります。

片方だけ合っても足りません。2 つの成分が同じ でそろうことを確かめます。

例:一直線上にない場合

に替えます。 です。

成分からは 成分からは 。食い違うので一直線上にはありません。

たすきに掛けて引く方法でも判定できます。 ではないので、平行ではない。

例:一直線になるように文字を決める

が一直線上に並ぶ を求めます。

です。 成分から

成分は なので になります。 で合っている。

たすきに掛ける形なら から直接 。どちらでも同じ答えです。

係数の和が 1 でも書ける

原点 をとり、 の位置ベクトルを とします。

。整理すると次の形になります。

の係数の和は 。3 点が一直線に並ぶことと、係数の和が になることが同じ意味になります[2]

を消して和だけを見ればよいので、この形のほうが速い場面が多くあります。

例:和が 1 かどうかで判定する

とします。係数の和は

は直線 上にあります。どちらの係数も正なので、線分 の内部です。

なら和は で、 も直線 上。ただし係数に負があるので線分の外に出ます。

は和が ではないので直線 上にありません。

例:係数から内分の比を読む

とします。和は なので直線 上。

の係数が なので、 です。

になります。 の係数と の係数を、比の後ろと前に入れかえて読む。

例:直線上にあることから文字を決める

が直線 上にあるとします。

係数の和が になればよいので、。分母を払って です。

になります。未知数が 1 つなら、和が という条件だけで決まる。

例:一直線であることを証明する

三角形 で、 とします。 と、線分 の中点 は一直線上でしょうか。

です。

の実数倍になるかを見ます。 の係数は で比が の係数は で比が

比が食い違うので、実数倍にはなりません。一直線上にはない、が答えです[4]

例:始点を変えても同じ

さきほどの を始点にして調べます。

です。 の値は を始点にしたときの と違いますが、一直線という結論は変わりません。

の値そのものは始点の選び方で変わる。判定に使うのは「実数 が存在するか」だけです。

2 つの書き方

で書く

座標が与えられているときに速い。成分ごとに を出して見比べる

係数の和が で書く

位置ベクトルの式が与えられているときに速い。 を出さずに済む

座標なら前者、 の式なら後者。与えられた形のまま扱えるほうを選びます。

が直線 上にあるとき、 はいくつですか。

__RESULT__

係数の和が になればよいので です。移項して になります。負の値ですが、直線 上にはあります。線分 の外側に出るだけ。

よくある誤り

成分だけを見て一直線と判断する。2 つの成分が同じ でそろう必要があります。
係数の和が を、係数が正であることと混ぜる。和が なら直線上、正なら線分上です。
が同じ点のまま判定する。異なる 2 点を選びます。
の値が始点で変わることを誤りだと思う。存在するかどうかだけが問題です。
和が でない式をそのまま直線上と答える。まず和を計算します。
内分の比を係数の順で読む。前後を入れかえます。
たすき掛けの組をとり違える。 成分と 成分を斜めに掛けて引きます。

矢印が実数倍になっているか、係数の和が か。同じことを 2 通りの形で確かめているだけです。

参考文献

[1] が 3 点が一直線に並ぶ条件、[2] が係数の和が になる組み合わせ、[3] が実数倍と平行の関係、[4] が平行でない 2 本で係数を比べられることです。

Collinearity - Wikipedia(英語)
Convex combination - Wikipedia(英語)
Vecteur - Wikipédia(フランス語)
Lineare Unabhängigkeit - Wikipedia(ドイツ語)
$A(1,\ 2)$、$B(4,\ 3)$、$C(10,\ 5)$ は一直線上にあります。$\overrightarrow{AB}=(3,\ 1)$ と $\overrightarrow{AC}=(9,\ 3)$ が、同じ $k=3$ で結ばれるからです。角度も距離も測らず、実数 $k$ が 1 つ見つかるかどうかだけを見ます。位置ベクトルで書き直すと $\vec{c}=(1-k)\vec{a}+k\vec{b}$ となり、係数の和が $1$ という形に変わる。和が $1$ なら直線上、さらに両方が正なら線分上です。$k$ の値は始点の選び方で変わりますが、結論は変わりません。係数から内分の比を読む手順まで扱いました。