1. 座標平面上の点(ノート)
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数学Ⅱ　第3章　図形と方程式

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1.1　数直線上の点

内分点

　数直線上の2点A，Bについて，線分ABを $m:n$ に内分する点P

1°　$a<b$ のとき

\[\begin{align*} (x-a):(b-x)&=m:n\\[5pt] n(x-a)&=m(b-x)\\[5pt] (m+n)x&=na+mb\\[5pt] \therefore x&=\frac{na+mb}{m+n} \end{align*}\]

2°　$a>b$ のとき

\[\begin{align*} (a-x):(x-b)&=m:n\\[5pt] n(a-x)&=m(x-b)\\[5pt] (m+n)x&=na+mb\\[5pt] \therefore x&=\frac{na+mb}{m+n} \end{align*}\]

　1°，2° ともに同じ結果となるから次が成り立つ：

　数直線上の2点A$(a)$, B$(b)$について，線分ABを$m:n$に内分する点の座標は，\[\frac{na+mb}{m+n}\]　特に，線分ABの中点（$1:1$に内分する点）は，\[\frac{a+b}2\]

例　　数直線上の2点 ${\rm A}(3)$，${\rm B}(6)$ について，

(1) 線分ABを $2:1$ に内分する点の座標

\[\frac{1\times3+2\times6}{2+1}=5\]

(2) 線分ABの中点

\[\frac{3+6}2=\frac92\]

外分点

　数直線上の2点A，Bについて，線分ABを $m:n$ に外分する点Q

1°　$m>n$ のとき

\[\begin{align*} (x-a):(x-b)&=m:n\\[5pt] m(x-b)&=n(x-a)\\[5pt] (m-n)x&=-na+mb\\[5pt] \therefore x&=\frac{-na+mb}{m-n} \end{align*}\]

2°　$m<n$ のとき

\[\begin{align*} (a-x):(b-x)&=m:n\\[5pt] n(a-x)&=m(b-x)\\[5pt] (m-n)x&=-na+mb\\[5pt] \therefore x&=\frac{-na+mb}{m-n} \end{align*}\]

　1°，2° ともに同じ結果となるから次が成り立つ：

　数直線上の2点A$(a)$, B$(b)$について，線分ABを$m:n$に外分する点の座標は，($m$と$n$の大小関係によらず)\[\frac{-na+mb}{m-n}\]

例　　数直線上の2点 ${\rm A}(3)$，${\rm B}(5)$ について，

(1) 線分ABを $2:1$ に外分する点の座標

\[\frac{-1\times3+2\times5}{2-1}=7\]

(2) 線分ABを $1:2$ に外分する点の座標

\[\frac{-2\times3+1\times5}{1-2}=1\]

1.2　座標平面上の点

2点間の距離

　2点 ${\rm A}(x_1,y_1)$，${\rm B}(x_2,y_2)$ について，2点A，B間の距離ABは，三平方の定理により，

\[{\rm AB}^2=(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2\]

となる．この式は，ABが $x$ 軸に垂直な場合($x_1=x_2$)や，$y$ 軸に垂直な場合($y_1=y_2$)でも成り立つ．
　${\rm AB}>0$ であるから，

\[{\rm AB}=\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2}\]

　特に，点Bが原点 ${\rm O}(0,0)$ のとき，

\[{\rm OA}=\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}\]

2点間の距離　平面上の2点A$(x_1,y_1)$, B$(x_2,y_2)$について，2点間の距離ABは，\[{\rm AB}=\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2}\]　特に，Bが原点$(0,0)$のとき，\[{\rm OA}=\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}\]

例　　A$(1,4)$，B$(3,2)$ のとき，

\[\begin{align*} {\rm AB}&=\sqrt{(3-1)^2+(2-4)^2}\\[5pt] &=\sqrt8\\[5pt] &=\underline{\boldsymbol{2\sqrt2}} \end{align*}\]

内分点・外分点

　平面上の2点 ${\rm A}(x_1,y_1)$，${\rm B}(x_2,y_2)$ について

1° 線分ABを $m:n$ に内分する点P

2° 線分ABを $m:n$ に外分する点Q

　平行線と線分の比の関係を考えると，結局数直線上の2点の場合に帰着される．

まとめ　平面上の2点A$(x_1,y_1)$, B$(x_2,y_2)$ について，線分ABを $m:n$ に\[\begin{align*}&\mbox{内分する点}:\left(\frac{nx_1+mx_2}{m+n},\frac{ny_1+my_2}{m+n}\right)\\ &\hspace{10mm}\mbox{特に中点は}\left(\frac{x_1+x_2}2,\frac{y_1+y_2}2\right)\\ &\mbox{外分する点}:\left(\frac{-nx_1+mx_2}{m-n},\frac{-ny_1+my_2}{m-n}\right)\end{align*}\]

例　平面上の2点 ${\rm A}(0,1)$，${\rm B}(3,4)$ について

(1) $2:1$ に内分する点

\[\left(\frac{1\cdot0+2\cdot3}{2+1},\frac{1\cdot1+2\cdot4}{2+1}\right)\]

\[\therefore (2,3)\]

(2) 中点

\[\left(\frac{0+3}2,\frac{1+4}2\right)\]

\[\therefore \left(\frac32,\frac52\right)\]

(3) $4:1$ に外分する点

\[\left(\frac{-1\cdot0+4\cdot3}{4-1},\frac{-1\cdot1+4\cdot4}{4-1}\right)\]

\[\therefore (4,5)\]

(4) $1:4$ に外分する点

\[\left(\frac{-4\cdot0+1\cdot3}{1-4},\frac{-4\cdot1+1\cdot4}{1-4}\right)\]

\[\therefore (-1,0)\]

対称な点

　2点A$(x_1,y_1)$，B$(x_2,y_2)$ が点P$(X,Y)$ に関して対称な位置にあるとき，

点Pは線分ABの中点

と捉える．

例題　点A$(1,4)$と，点P$(3,2)$に関して対称な点Bの座標は？

　点P$(3,2)$ は線分ABの中点だから，

\[\left\{ \begin{array}{ll} \dfrac{1+x}2=3\\[5pt] \dfrac{4+y}2=2 \end{array}\right. \ \ \ \therefore \left\{ \begin{array}{ll} x=5\\[5pt] y=0 \end{array}\right.\]

　よって，B$\boldsymbol{(5,0)}$

三角形の重心

　辺BCの中点をM$(X,Y)$ とおくと，

\[\left\{ \begin{array}{ll} X=\dfrac{x_2+x_3}2\\[5pt] Y=\dfrac{y_2+y_3}2 \end{array}\right.\]

　重心Gは，線分AMを $2:1$ に内分する点であるから，G$(x,y)$ は，

\[\left\{ \begin{array}{ll} x=\dfrac{1\cdot x_1+2X}{2+1}=\dfrac{x_1+x_2+x_3}3\\[5pt] y=\dfrac{1\cdot y_1+2Y}{2+1}=\dfrac{y_1+y_2+y_3}3 \end{array}\right.\]

まとめ　3点A$(x_1,y_1)$, B$(x_2,y_2)$, C$(x_3,y_3)$について，△ABCの重心の座標は，\[\left(\frac{x_1+x_2+x_3}3,\ \frac{y_1+y_2+y_3}3\right)\]

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