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複素数で三角形の面積を出す|虚部が外積になる

原点と と を頂点とする三角形の面積は、次の式で出ます[2]。

を計算して、虚部だけをとって半分にする。座標に直さずに面積が出ます。

に 2 つの量が入っている

、 として、実際に掛けてみます。

実部が 、虚部が 。前者はベクトルの内積、後者は 2 つのベクトルが張る平行四辺形の符号つき面積です。

三角形はその半分なので、虚部を で割れば答えになる。共役をとらずに を掛けると、この分かれ方が崩れます。

実部

が現れる。長さと角の余弦から決まる量

虚部

が現れる。平行四辺形の符号つき面積

一般の三角形へ

頂点が 、、 で原点を含まないときは、 を原点へ運んでから同じ式を当てます。

平行移動しても面積は変わらないので、この置きかえで一般の場合が片づく。どの頂点を原点へ運んでも同じ値になります。

例:数値で出す

、、 の三角形を計算します。

、 です。前者の共役は 。

虚部が なので になります。方眼に置いて数えても で、値が合う。

符号は回る向きを表す

絶対値を外した は、符号つきの面積です[1]。

3 点を反時計回りにたどれば正、時計回りなら負になります[4]。面積そのものが要るなら絶対値をとる。

向きが要る問題では、絶対値を外したまま使います。凸か凹か、内側か外側かの判定に使える量[3]。

例:向きを入れかえる

、、 とします。 で虚部は 、符号つき面積は 。

と を入れかえると で虚部は 、符号つき面積は になります。

大きさは同じで符号だけが逆。頂点を並べる順番が、そのまま向きの情報になっている。

例:3 点が一直線にあるとき

、、 を入れます。、 です。

で虚部は 。面積が になり、三角形がつぶれています。

つまり が 3 点の共線条件です。面積の式が、そのまま判定式として使える。

面積が になることと 3 点が一直線に並ぶことは、同じ 1 つの条件です。

虚部が消えるのは 2 つの矢印の向きがそろったとき。そのとき三角形はつぶれる。

例:平行四辺形の面積

、、、 を頂点とする平行四辺形なら、三角形 2 つ分です。

が消えるだけ。、 なら で、面積は です。

例:四角形の面積

頂点を から まで反時計回りに並べたときは、隣どうしの積を足していきます[3]。

、、、 の正方形で試します。各項の虚部は 、、、 で、合計 。面積は になります。

頂点の数がいくつでも同じ形で書けます。最後の項で へ戻すところを落としやすい。

例:座標の公式との対応

座標で書いた面積の公式は です[4]。

これは の中身をそのまま書き下した形。別々の公式ではなく、同じものを違う記号で書いています。

複素数のまま計算すると、平行移動と回転を式の上で扱えるところが違い。座標に戻す手間が省けます。

、、 を頂点とする三角形の面積はどれですか。

__RESULT__

、 です。 なので虚部は 、半分の絶対値をとって 。 は平行四辺形の面積、 は実部を使ってしまった値になります。

検算のしかた

方眼の上に 3 点を置き、まわりを長方形で囲んで余りの直角三角形を引きます。手で数えた値と式の値がそろえば安心です。

面積が負や で出たときは、まず順番と共線を疑う。 なら 3 点が一直線に並んでいます。

よくある誤り

共役をとらずに を掛ける。実部と虚部が内積と面積に分かれません。
を掛け忘れる。それは平行四辺形の面積です。
虚部ではなく実部をとる。実部は内積で、面積とは別の量になります。
原点を含まない三角形に、そのまま を当てる。1 頂点を原点へ運びます。
四角形で最後の項の を落とす。一周して閉じる必要があります。

内積は実部、面積は虚部。 という 1 つの積が両方を抱えているので、必要なほうをとり出せば済みます。

参考

Area of a triangle in the complex plane - John D. Cook
Area of triangle in complex number form - 匯基書院
Shoelace formula - Wikipedia
Gaußsche Trapezformel - Wikipedia
原点と $\alpha$ と $\beta$ でつくる三角形の面積は $\dfrac{1}{2}|\mathrm{Im}(\bar{\alpha}\beta)|$。$\bar{\alpha}\beta$ を展開すると実部に内積、虚部に平行四辺形の符号つき面積が現れます。共役をとらずに掛けると、この分かれ方が崩れる。原点を含まない三角形は 1 頂点を原点へ運べば同じ式で片づき、絶対値を外した値は頂点をたどる向きの符号を持ちます。虚部が $0$ になることが 3 点の共線条件そのもの。平行四辺形、四角形、座標の公式との対応まで数値で追いました。