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複素数平面の内分点と外分点、重心はどこに来るか

2 点 を結ぶ線分を に内分する点は、次の式で出ます。

分子では が掛かり、 が掛かります。比の数字がたすきに入れかわる。

遠いほうに大きな重みが乗る

側の長さ、 側の長さです。

点は近いほうへ寄るので、係数は逆に付きます。 に近い点なら の係数が大きい。

重みつきの平均と見ると、この入れかわりが自然に見えます[2]。天びんで軽いほうが支点から遠くなるのと同じ形。

係数がたすきになるのは、比が長さを表し、係数が近さを表すからです。

に近い点は の重みが重い。長さの比とは逆になる。

外分は符号を反転させる

外分点は、比の一方を負とみなして同じ式に入れます[3]

の符号だけが変わり、分母も引き算になる。 のときは分母が になり、外分点が存在しません。

は「両端から等しい距離にある外の点」を求めることにあたります。そんな点はないので、式のほうも壊れる。

内分点は線分の内側だけを動きます。外分点は比が に近づくほど遠くへ逃げ、 で消える。

例:中点

を入れると分子が 、分母が です。

中点はいちばん使う形なので、内分の式から導かずにそのまま覚えておくと速い。

例:2:1 に内分する

に内分します。 なので係数は

です。 からの距離が からの距離が で、比はきちんと になっている。

例:3:1 に外分する

同じ 2 点を に外分します。 を外分の式へ入れる。

になります。 より先へ抜けた位置で、線分の外に出ている。

例:1:3 に外分する

なら分母が です。

今度は より手前へ出ます。 の大小で、どちら側へ飛ぶかが決まる。

重心は 3 頂点の平均

三角形の 3 頂点を とすると、重心は次の位置です[1]

比も符号も出てきません。3 つを足して 3 で割るだけ[4]

内分の式で重みをすべて等しくした形にあたります。等しい重みで釣り合う点なので、平均そのものになる[2]

例:重心を出す

の三角形の重心を求めます。

実部と虚部を別々に足すと速い。実部は 、虚部は です。

になりました。頂点 とたまたま重なった形で、こういう配置もありえます。

例:中線が 2 対 1 に分かれる

中線は、 の中点 を結んだ線分です。

重心 について を計算します。前者は 、後者は

同じ向きで長さが 2 倍と 1 倍なので、 です[1]。3 本の中線すべてで同じことが起きる[4]

例:重心の別の書き方

が重心なら、 が成り立ちます。

3 つの矢印を足すと消えるという形で、これが釣り合いの条件そのものです[2]

逆にこの式から が出るので、平均の式と同じ内容になる。

例:平行四辺形の第 4 頂点

を頂点とする平行四辺形 を求めます。

対角線が互いを二等分するので、 の中点と の中点が一致する。

です。中点の式を 1 本立てるだけで出ます。

中点
の内分
の外分
重心

例:4 点の平均はなにになるか

4 つの点の平均 は、四角形の重心とは限りません。

板の重心は面積で決まるのに対し、この平均は 4 頂点に等しい重みを置いた点だからです。

三角形では両者が一致するので混同しやすいところ。四角形では別の点になります。

を結ぶ線分を に内分する点はどれですか。

__RESULT__

なので です。 は係数をたすきにせず として計算した値、 は外分の式に入れた値になります。

検算

出た点と両端の距離を測り、比が合っているかを見ます。内分なら 2 つの距離の和がもとの線分の長さに戻る。

重心なら、3 頂点との距離ではなく座標の平均を見直すほうが早い。距離は等しくならないので、そこで確かめようとすると迷います。

まちがえやすい点

内分の係数をたすきにしない。 なら が掛かります。
外分で分母を のままにする。引き算に変わります。
外分の符号を 側に付ける。負にするのは 側です。
重心を 3 頂点から等距離の点と考える。等距離なのは外心です。

比の数字が係数へ移るときにたすきへ入れかわる。ここだけ押さえておけば、内分も外分も重心も同じ 1 本の式から出ます。

出典

Centroid - Wikipedia
Barycentre - Wikipédia
Teilverhältnis - Wikipedia
几何中心 - 维基百科
線分を $m:n$ に内分する点は $\dfrac{n\alpha+m\beta}{m+n}$。比の数字が係数へ移るときに、たすきへ入れかわります。比が長さを表し、係数は近さを表すため。外分は $n$ の符号だけを反転させた形で、$m=n$ では分母が $0$ になり点そのものが存在しません。$2:1$ の内分、$3:1$ と $1:3$ の外分を数値で追い、重心が 3 頂点の平均になる理由、中線が 2 対 1 に分かれる計算、平行四辺形の第 4 頂点まで進みます。4 頂点の平均は四角形の重心にならない。