直線 ちょくせん (無限 むげん の長 なが さは物理 ぶつり 的 てき に表示 ひょうじ 不能 ふのう の為 ため 、上記 じょうき では一部分 いちぶぶん を表示 ひょうじ している。また、太 ふと さを持 も たないが、可視 かし 化 か のために太 ふと さを持 も たせている)
直線 ちょくせん の正確 せいかく な表示 ひょうじ を模 も したもの(直線 ちょくせん は太 ふと さを持 も たない図形 ずけい である為 ため 、厳密 げんみつ に正 ただ しく表示 ひょうじ した場合 ばあい 、視覚 しかく では確認 かくにん 不能 ふのう となる。なお、この画像 がぞう は直線 ちょくせん は太 ふと さを持 も たないことを模 も したものであり、この画像 がぞう には、線 せん は含 ふく まれていない。)
線分 せんぶん
直線 ちょくせん (ちょくせん、line)は、太 ふと さを持 も たない幾何 きか 学 がく 的 てき な対象 たいしょう である曲線 きょくせん の一種 いっしゅ で、その上 うえ にある点 てん について一様 いちよう に横 よこ たわる面 めん である。まっすぐ無限 むげん に伸 の びて端点 たんてん を持 も たない。まっすぐな線 せん には直線 ちょくせん の他 ほか に、有限 ゆうげん の長 なが さと両端 りょうたん を持 も つ線分 せんぶん (せんぶん、line segment、segment)と、一 ひと つの端点 たんてん を始点 してん として無限 むげん にまっすぐ伸 の びた半 はん 直線 ちょくせん (はんちょくせん、ray、half-line)がある。表記 ひょうき の場合 ばあい は可視 かし 化 か のために太 ふと さを持 も たせている。
ユークリッド の幾何 きか 学 がく では、直線 ちょくせん は本質 ほんしつ 的 てき に無 む 定義 ていぎ 述語 じゅつご である。つまり、「直線 ちょくせん とは何 なに か」を直接 ちょくせつ 定義 ていぎ せずに、ただある関係 かんけい (公理 こうり ・公準 こうじゅん )を満 み たすものであるとして理論 りろん を展開 てんかい していくのである。ユークリッド幾何 きか 学 がく においては以下 いか のようなことである:
二 ふた つの異 こと なる点 てん を与 あた えれば、それを通 とお る直線 ちょくせん は一 ひと つに決 き まる。
一 ひと つの直線 ちょくせん とその上 うえ にない一 ひと つの点 てん が与 あた えられたとき、与 あた えられた点 てん を通 とお り与 あた えられた直線 ちょくせん に平行 へいこう な直線 ちょくせん を、ただ一 ひと つ引 ひ くことができる。
また、このような公理 こうり から例 たと えば以下 いか のようなことが導 みちび かれる:二 ふた つの異 こと なる直線 ちょくせん は高々 たかだか 一 ひと つの点 てん を共有 きょうゆう する。二 ふた つの異 こと なる平面 へいめん は、高々 たかだか 一 ひと つの直線 ちょくせん を共有 きょうゆう する。
通常 つうじょう は、直線 ちょくせん や線分 せんぶん は向 む きを持 も たず、半 はん 直線 ちょくせん は向 む きを持 も つものとして扱 あつか われる。たとえば、2 点 てん A と B を結 むす ぶ線分 せんぶん を AB と書 か くと、AB = BA である。一方 いっぽう で、向 む き付 づ けられた直線 ちょくせん 、線分 せんぶん や向 む きを持 も たない半 はん 直線 ちょくせん というものも考 かんが えることがある。たとえば線分 せんぶん の始点 してん と終点 しゅうてん を区別 くべつ し、線分 せんぶん に向 む きを考 かんが えたものを有向 ゆうこう 線分 せんぶん と呼 よ んで、有向 ゆうこう 線分 せんぶん としては AB ≠ BA と考 かんが える。
ユークリッド空間 くうかん 内 うち の有向 ゆうこう 線分 せんぶん を、その位置 いち のみの違 ちが いを除 のぞ くことにより類別 るいべつ して、幾何 きか 学 がく 的 てき ベクトル (いわゆる矢印 やじるし ベクトル)の概念 がいねん を考 かんが えることができる。逆 ぎゃく にベクトルを用 もち いてユークリッド空間 くうかん やその中 なか の線分 せんぶん ・直線 ちょくせん を定式 ていしき 化 か することもできるが、これについては後述 こうじゅつ する。
ユークリッド幾何 きか 学 がく のように、無 む 定義 ていぎ 述語 じゅつご と公理 こうり によって構築 こうちく される幾何 きか 学 がく では、直線 ちょくせん が「まっすぐ」であるなどのイメージは本質 ほんしつ を持 も たない。曲 ま がった空間 くうかん の幾何 きか 学 がく である非 ひ ユークリッド幾何 きか 学 がく での直線 ちょくせん (測地 そくち 線 せん )はユークリッド幾何 きか 学 がく の中 なか で見 み ると曲 ま がって見 み えるのである。
アフィン空間 くうかん (ベクトル)の理論 りろん を持 も ち出 だ すと、次 つぎ のようにして直線 ちょくせん を定義 ていぎ することが出来 でき る: ユークリッド空間 くうかん E n に対 たい して、任意 にんい の一 いち 点 てん P と 0 でない一 ひと つのベクトル a が与 あた えられたとき、
L
=
{
P
+
λ らむだ
a
∣
λ らむだ
∈
R
}
{\displaystyle L=\{P+\lambda \mathbf {a} \mid \lambda \in \mathbb {R} \}}
で表 あらわ されるような集合 しゅうごう L を直線 ちょくせん という(これは一般 いっぱん のベクトル空間 くうかん にも拡張 かくちょう できる)。この定義 ていぎ においては直線 ちょくせん は向 む きを持 も つものとみなされる。a は直線 ちょくせん の方向 ほうこう を決 き めるベクトルであり、P は直線 ちょくせん 上 じょう の点 てん になる。同 おな じ直線 ちょくせん を与 あた える点 てん とベクトルの組 くみ P , a は一 いち 通 とお りではない。また、この定義 ていぎ で λ らむだ の動 うご く範囲 はんい を限定 げんてい すると半 はん 直線 ちょくせん
L
+
=
{
P
+
λ らむだ
a
∣
λ らむだ
∈
R
≥
0
}
{\displaystyle L_{+}=\{P+\lambda \mathbf {a} \mid \lambda \in \mathbb {R} \geq 0\}}
や線分 せんぶん を記述 きじゅつ することができる。また同 おな じことだが、原点 げんてん を固定 こてい して点 てん とその位置 いち ベクトルとを同一 どういつ 視 し すると、ユークリッド空間 くうかん の異 こと なる 2 点 てん A (a ), B (b ) ∈ E n が与 あた えられた時 とき に、
L
=
{
(
1
−
λ らむだ
)
a
+
λ らむだ
b
∣
λ らむだ
∈
R
}
{\displaystyle L=\{(1-\lambda )\mathbf {a} +\lambda \mathbf {b} \mid \lambda \in \mathbb {R} \}}
なる集合 しゅうごう L は、A , B を含 ふく む直線 ちょくせん となる(向 む きを考慮 こうりょ するなら、方向 ほうこう ベクトルは b - a で、これは A から B へ向 む かって引 ひ かれる)。この定義 ていぎ で、λ らむだ を 0 と 1 の間 あいだ に限定 げんてい すると A から B までを結 むす ぶ(有向 ゆうこう )線分 せんぶん
A
B
→
=
{
(
1
−
λ らむだ
)
a
+
λ らむだ
b
∣
0
≤
λ らむだ
≤
1
}
{\displaystyle {\overrightarrow {AB}}=\{(1-\lambda )\mathbf {a} +\lambda \mathbf {b} \mid 0\leq \lambda \leq 1\}}
が得 え られる。
直線 ちょくせん 上 じょう の点 てん に実数 じっすう を対応 たいおう させることで数 かず 直線 ちょくせん を考 かんが えることができる。具体 ぐたい 的 てき には、直線 ちょくせん 上 じょう に原点 げんてん O と単位 たんい 点 てん E を指定 してい し、任意 にんい の実数 じっすう x に対 たい し、直線 ちょくせん 上 じょう にあり、一方 いっぽう の端点 たんてん を原点 げんてん とし、原点 げんてん から単位 たんい 点 てん までを結 むす ぶ有向 ゆうこう 線分 せんぶん との(向 む きまで込 こ めた)線分 せんぶん 比 ひ が x となるような線分 せんぶん の、原点 げんてん ではない側 がわ の端点 たんてん と x とを対応付 たいおうづ けたもののことをいう。
しばしば、原点 げんてん と単位 たんい 点 てん の距離 きょり の整数 せいすう 倍 ばい で数 かず を目盛 めも ったものを指 さ す。数 かず 直線 ちょくせん は向 む きを持 も った直線 ちょくせん であり、原点 げんてん から単位 たんい 点 てん の向 む きに矢印 やじるし を記 しる すことがある。また、数 かず 直線 ちょくせん は、1 次元 じげん ユークリッド空間 くうかん R に対 たい する座標 ざひょう 系 けい と捉 とら えることも出来 でき る。
原点 げんてん を 0、単位 たんい 点 てん を 1 として目盛 めも りをつけた数 かず 直線 ちょくせん
また、数 かず 直線 ちょくせん を用 もち いることで数 かず の和 わ や差 さ が図 ず として視覚 しかく 的 てき に与 あた えることができるため、しばしば教育 きょういく に用 もち いられる。例 たと えば、上 うえ の数 すう 直線 ちょくせん では足 た し算 ざん (和 わ )は右 みぎ に進 すす むことであり、引 ひ き算 ざん (差 さ )は左 ひだり に進 すす むことである。したがって、
1 + 2 は目盛 めも りの 1 から 2 目盛 めも り右 みぎ に進 すす むから 3 である。
2 - 3 は目盛 めも りの 2 から 3 目盛 めも り左 ひだり に進 すす むから -1 である。
互 たが いに直交 ちょっこう する向 む き付 つ けられた数 かず 直線 ちょくせん によってルネ・デカルト は絶対 ぜったい 的 てき な静止 せいし 座標 ざひょう 系 けい を定義 ていぎ した。これは直交 ちょっこう 座標 ざひょう 系 けい と呼 よ ばれる。
原点 げんてん を固定 こてい し、原点 げんてん を始点 してん とする半 はん 直線 ちょくせん を用 もち いて極座標 きょくざひょう 系 けい が定義 ていぎ できる。このときの半 はん 直線 ちょくせん は始 はじめ 線 せん と呼 よ ばれる。
直交 ちょっこう 座標 ざひょう 系 けい を入 い れた 2 次元 じげん ユークリッド空間 くうかん E 2 を考 かんが えている時 とき には、直線 ちょくせん は1次 じ 方程式 ほうていしき の形 かたち で与 あた えられる;
L
=
{
(
x
,
y
)
∣
a
x
+
b
y
=
c
}
{\displaystyle L=\{(x,y)\mid ax+by=c\}}
一般 いっぱん 次元 じげん においても、線型 せんけい 方程式 ほうていしき 系 けい のグラフとして直線 ちょくせん を記述 きじゅつ することができる。これは本質 ほんしつ 的 てき にはベクトルによる記述 きじゅつ と同等 どうとう である。
幾何 きか 学 がく 的 てき な線分 せんぶん は、ある 2 点 てん の間 あいだ を結 むす んだ最短 さいたん 経路 けいろ である。
形式 けいしき 的 てき には、点 てん 集合 しゅうごう V が与 あた えられたとき、直積 ちょくせき 集合 しゅうごう V × V の元 もと を有向 ゆうこう 線分 せんぶん とし、さらに同値 どうち 関係 かんけい ~ を 任意 にんい の a , b ∈ V に対 たい し (a , b ) ~ (b , a ) と定 さだ めたときの集合 しゅうごう E = V × V / ~ の元 もと (同値 どうち 類 るい ) [(a , b )] (a , b ∈ V , a ≠ b ) のこと(これをしばしば {a , b } と記 しる す)を a と b を結 むす んだ線分 せんぶん と呼 よ ぶ。
このように形式 けいしき 的 てき に線分 せんぶん を定義 ていぎ すれば、グラフ理論 りろん などにおける辺 あたり も線分 せんぶん として考 かんが えられる。
上 うえ の線分 せんぶん でBはこの線分 せんぶん の内分 ないぶん 点 てん という。もし、AとBの距離 きょり がm、BとCの距離 きょり がnならば、BはAとCをm:nに内分 ないぶん する点 てん である。
線分 せんぶん の延長線 えんちょうせん 上 じょう にDがあるとする。Dはこの線分 せんぶん の外 そと 分 ぶん 点 てん という。もし、ADの距離 きょり がo、BDの距離 きょり がpならば、Qは線分 せんぶん ABをo:pに外 そと 分 ぶん する点 てん である。