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ベクトルで三角形の内部の点を表す(面積比と 2 直線の交点)

三角形 の中に引いた 2 本の線分が交わる点を求めます。 と置く。

交点は 2 本の線分のどちらにも乗っているため、同じ点を 2 通りに書けます。書き方が 2 つあるなら、それを等号で結んで係数を比べられる。

が一次独立なら、同じ点の表し方は 1 通りしかありません。だから 2 つの式の の係数どうし、 の係数どうしが等しくなる。

未知数を 2 つ置いて、それぞれの線分の上の点として書く

2 つの式を等号で結んで係数を比べる

実数の連立方程式を解く

未知数は 2 つ、式も 2 つ。数が釣り合うので必ず解けます。

例:線分 AD と BC の交点

三角形 で、辺 に内分する点を 、辺 の中点を とします。線分 の交点を と置く。

です。 上にあるとして と置きます。

上にもあるので、 と置けば別の形にも書ける。

例:係数を比べて連立を解く

の係数から の係数から

下の式を に直し、上へ入れる。

になりました。

です。もう一方の式に を入れても同じ答えになるので、そこで検算できます。

例:中線どうしの交点

同じ手順で重心も求められる。辺 の中点を 、辺 の中点を とし、 の交点を とする。

の 2 通りです。

係数を比べると 。解けば

これが重心の位置ベクトルです。 から、中線が に分かれることも同時に読める。

面積比は係数の比と一致する

が三角形 の内部にあり、正の数 について次が成り立つとします。

このとき、3 つの小さい三角形の面積比が係数の比と一致します。

向かい合わせに読むところが要点です。 の係数 に対応するのは、 を含まない のほう。

始点を に移すと、位置ベクトルは重みつきの平均になります。

例:係数から面積比を読む

なら、係数は

面積比は です。全体を と見ると、それぞれ にあたる。

位置ベクトルは

例:面積比から係数を読む

逆向きにもたどれます。 という条件なら、係数がそのまま

位置ベクトルは 。面積という図形の条件が、ベクトルの等式 1 つに置きかわりました。

例:重心はすべての係数が 1 の場合

重心 では が成り立ちます。係数はどれも

面積比は で、3 つの小さい三角形の面積が等しくなる。中線が三角形を面積で 3 等分することの言いかえです。

位置ベクトルも で、重みが等しい平均になる。

例:延長して対辺と交わる点

のもとで、 の延長と の交点を とします。

を始点にとると で、係数の和は

は直線 上にあるため、係数の和が になるまで伸ばします。

。係数の和を に直す操作が、そのまま延長にあたります。

例:交点の答えから面積比を読む

さきほど求めた交点は でした。 にあたる係数は

3 つの係数は で、比は です。

になる。交点を求めたあと、そのまま面積比まで読めます。

交点を求める型

未知数 2 つで 2 通りに書き、係数を比べる。答えは位置ベクトル

面積比の型

の係数を読む。答えは比

問題文が「交点を求めよ」なら前者、「面積比を求めよ」なら後者。どちらも係数を読む作業に落ちます。

のとき、 の面積比はどれですか。

__RESULT__

係数の和は で、 に対応するのは の係数 です。よって になります。向かい合わせに読まずに の係数 を当てると、答えがずれます。

まちがえやすいところ

向かい合わせの対応を、順番どおりに読んでしまう形がいちばん多い。 の係数は ではなく、 を含まない に対応します。

交点の問題では、未知数を 1 つで済ませようとすると立式できません。2 通りに書くから 2 つ置く。

答案では、係数を比べる前に「 は一次独立」と 1 行断ります。ここがないと、係数を比べてよい理由が書かれていないことになる。

同じ点を 2 通りに書く。係数を読む。この 2 つだけで、交点も面積比も決まります。

三角形 $OAB$ の中で 2 本の線分が交わる点は、同じ点を 2 通りに書いてから係数を比べると求まります。$\vec{a}$ と $\vec{b}$ が一次独立なら表し方は 1 通りなので、未知数 2 つに式 2 本で数が釣り合う。もう 1 つの型が $\overrightarrow{PA}+2\overrightarrow{PB}+3\overrightarrow{PC}=\vec{0}$ で、この点は三角形を面積比 $1:2:3$ に分けます。$\overrightarrow{PA}$ の係数に向かい合うのは、$A$ を含まない $\triangle PBC$ のほう。係数の和を $1$ に直して対辺との交点まで伸ばす手順も扱います。