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一直線に並ぶ条件、直角に交わる条件はどう書けるか

3 点 、、 が一直線に並ぶのは、 が実数のときです[1]。

同じ式が純虚数なら、 と は直角に交わります[1]。

判定はどちらも 1 つの商で済みます。角度を測らずに、実数か純虚数かを見るだけ。

商の偏角が角度を測っている

は から への矢印、 は から への矢印です。

割り算は偏角の引き算なので、この商の偏角は 2 本の矢印がなす角そのものになります[3]。

角が か なら商は実軸に乗り、 なら虚軸に乗ります。実数と純虚数という言い方は、角度の言いかえです。

2 本の矢印を引き算でつくる

一方をもう一方で割る

実軸に乗るか虚軸に乗るかを見る

共線条件を式で書く

が実数であることは と書けます[1]。これを商に当てはめる。

分母を払うと、共役を含む 1 本の等式になります。座標に落とさずに扱えるので、そのまま計算を進められる。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… linePoint[index][2] …)

例:3 点が一直線か調べる

、、 とします。

、 です。後者は前者の 倍そのもの。

実数なので一直線です。 という値は、 が の 倍の長さで同じ向きだと言っています。

を に変えると、商は になって実軸から外れます。並びません。

例:一直線になるよう定数を決める

、、 が一直線になる実数 を求めます。

、 です。商の分母を実数化する。

実数になるのは虚部が のときなので 。このとき となり、 の 倍です。

垂直条件を式で書く

が純虚数であることは と書けます[1]。実部が消える条件です。

と が直角に交わる条件になります[1]。4 点が別々でよいので、共線条件より使う場面が広い。

は除きます。矢印が消えると向きが決まらないためです。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… rightCorner[index][1] …)

例:直角三角形かを調べる

、、 で、 の角を見ます。

、 です。分母を実数化して割ります。

は純虚数なので直角です。しかも絶対値が なので 2 辺の長さが等しく、直角二等辺三角形だと分かります。

商の値が そのものになると、直角と等長が一度に読める。角度と長さを別々に調べる必要がありません。

例:なす角を求める

、、 とします。 です。

偏角は なので、角 は 。絶対値は で、 が の 倍だと分かります。

角度と長さの比が 1 つの複素数に入っている。これが座標に落とさずに済む理由です。

行列式でまとめて書く

3 点の共線条件は、行列式が になることとしても書けます[1]。三角形の符号つき面積が になる形です[4]。

商の形だと のときに分母が になりますが、行列式なら場合分けが要りません。3 点が重なっていても式が壊れない。

例:行列式で確かめる

さきほどの 、、 を入れます。第 1 行を のようにとる形です。

展開すると になり、計算すると 。一直線という判定に合いました。

商で出した という値のほうが情報量は多く、行列式は判定に徹した形になります。

一直線 が実数
直角 が純虚数
実数の条件
純虚数の条件、ただし
なす角

、、 の 3 点はどんな関係ですか。

  • 一直線に並ぶ
  • で直角に交わる
  • どちらでもない
__RESULT__

、 です。商は で実数なので一直線に並びます。値が負なので、 は と のあいだにある。純虚数ではないので直角にはなりません。

つまずきやすいところ

矢印を引き算でつくらずに、点の値をそのまま割る。始点をそろえて引きます。
共線条件で商が になるはずだと考える。実数ならどの値でも一直線です。
純虚数の条件から を落とす。 は実数でもあり、向きが決まりません。
実部が かどうかを見ずに、虚部だけを見る。純虚数は実部が の数です。
分母と分子を入れかえて角の向きが変わることを見落とす。符号が反転します。

矢印を 2 本つくって割る。出てきた数が実軸に乗るか虚軸に乗るかを見るだけで、平行も直角もなす角も同時に片づきます。

出典

Evan Chen. *Bashing Geometry with Complex Numbers*. 2015.
Marc Deisenroth. *Complex Numbers*. Revision Notes, Imperial College London, Department of Computing, 2017.
Jörn Dunkel, Jeremy Orloff. *18.04 Complex Analysis with Applications*. MIT, Spring 2019.
Collinear. Wolfram MathWorld.
$\dfrac{\gamma-\alpha}{\beta-\alpha}$ が実数なら 3 点は一直線、純虚数なら 2 本は直角に交わります。割り算が偏角の引き算なので、この商の偏角が 2 本の矢印のなす角そのものになるため。実数は $w=\bar{w}$、純虚数は $w+\bar{w}=0$ と書き直せて、座標に落とさずに計算が進みます。$1+2i$、$4+3i$、$5i$ では商がちょうど $i$ になり、直角と 2 辺が等しいことを一度に読める。一直線になる定数の決め方と、場合分けの要らない行列式の形も並べました。