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直線ちょくせん

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直線ちょくせん無限むげんながさは物理ぶつりてき表示ひょうじ不能ふのうため上記じょうきでは一部分いちぶぶん表示ひょうじしている。また、ふとさをたないが、可視かしのためにふとさをたせている)
直線ちょくせん正確せいかく表示ひょうじしたもの(直線ちょくせんふとさをたない図形ずけいであるため厳密げんみつ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、この画像がぞう直線ちょくせんふとさをたないことをしたものであり、この画像がぞうには、せんふくまれていない。)
線分せんぶん

直線ちょくせん(ちょくせん、line)は、ふとさをたない幾何きかがくてき対象たいしょうである曲線きょくせん一種いっしゅで、そのうえにあるてんについて一様いちようよこたわるめんである。まっすぐ無限むげんびて端点たんてんたない。まっすぐなせんには直線ちょくせんほかに、有限ゆうげんながさと両端りょうたん線分せんぶん(せんぶん、line segment、segment)と、ひとつの端点たんてん始点してんとして無限むげんにまっすぐびたはん直線ちょくせん(はんちょくせん、ray、half-line)がある。表記ひょうき場合ばあい可視かしのためにふとさをたせている。

概要がいよう

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ユークリッド幾何きかがくでは、直線ちょくせん本質ほんしつてき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)をたすものであるとして理論りろん展開てんかいしていくのである。ユークリッド幾何きかがくにおいては以下いかのようなことである:

  1. ふたつのことなるてんあたえれば、それをとお直線ちょくせんひとつにまる。
  2. ひとつの直線ちょくせんとそのうえにないひとつのてんあたえられたとき、あたえられたてんとおあたえられた直線ちょくせん平行へいこう直線ちょくせんを、ただひとくことができる。

また、このような公理こうりからたとえば以下いかのようなことがみちびかれる:ふたつのことなる直線ちょくせん高々たかだかひとつのてん共有きょうゆうする。ふたつのことなる平面へいめんは、高々たかだかひとつの直線ちょくせん共有きょうゆうする。

通常つうじょうは、直線ちょくせん線分せんぶんきをたず、はん直線ちょくせんきをつものとしてあつかわれる。たとえば、2 てん ABむす線分せんぶんABくと、AB = BA である。一方いっぽうで、けられた直線ちょくせん線分せんぶんきをたないはん直線ちょくせんというものもかんがえることがある。たとえば線分せんぶん始点してん終点しゅうてん区別くべつし、線分せんぶんきをかんがえたものを有向ゆうこう線分せんぶんんで、有向ゆうこう線分せんぶんとしては ABBAかんがえる。

ユークリッド空間くうかんうち有向ゆうこう線分せんぶんを、その位置いちのみのちがいをのぞくことにより類別るいべつして、幾何きかがくてきベクトル(いわゆる矢印やじるしベクトル)の概念がいねんかんがえることができる。ぎゃくにベクトルをもちいてユークリッド空間くうかんやそのなか線分せんぶん直線ちょくせん定式ていしき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がくのように、定義ていぎ述語じゅつご公理こうりによって構築こうちくされる幾何きかがくでは、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たない。がった空間くうかん幾何きかがくであるユークリッド幾何きかがくでの直線ちょくせん測地そくちせん)はユークリッド幾何きかがくなかるとがってえるのである。

1次元じげんアフィン空間くうかん

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アフィン空間くうかん(ベクトル)の理論りろんすと、つぎのようにして直線ちょくせん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 Enたいして、任意にんいいちてん P と 0 でないひとつのベクトル aあたえられたとき、

あらわされるような集合しゅうごう L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きをつものとみなされる。a直線ちょくせん方向ほうこうめるベクトルであり、P直線ちょくせんじょうてんになる。おな直線ちょくせんあたえるてんとベクトルのくみ P, aいちとおりではない。また、この定義ていぎλらむだうご範囲はんい限定げんていするとはん直線ちょくせん

線分せんぶん記述きじゅつすることができる。またおなじことだが、原点げんてん固定こていしててんとその位置いちベクトルとを同一どういつすると、ユークリッド空間くうかんことなる 2 てん A(a), B(b) ∈ Enあたえられたときに、

なる集合しゅうごう L は、A, Bふく直線ちょくせんとなる(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かってかれる)。この定義ていぎで、λらむだ を 0 と 1 のあいだ限定げんていすると A から B までをむすぶ(有向ゆうこう線分せんぶん

られる。

座標ざひょう

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直線ちょくせんじょうてん実数じっすう対応たいおうさせることでかず直線ちょくせんかんがえることができる。具体ぐたいてきには、直線ちょくせんじょう原点げんてん O単位たんいてん E指定していし、任意にんい実数じっすう xたいし、直線ちょくせんじょうにあり、一方いっぽう端点たんてん原点げんてんとし、原点げんてんから単位たんいてんまでをむす有向ゆうこう線分せんぶんとの(きまでめた)線分せんぶんx となるような線分せんぶんの、原点げんてんではないがわ端点たんてん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、原点げんてん単位たんいてん距離きょり整数せいすうばいかず目盛めもったものをす。かず直線ちょくせんきを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てんきに矢印やじるししるすことがある。また、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たいする座標ざひょうけいとらえることも出来できる。

原点を 0、単位点を 1 として目盛りをつけた数直線
原点げんてんを 0、単位たんいてんを 1 として目盛めもりをつけたかず直線ちょくせん

また、かず直線ちょくせんもちいることでかずとして視覚しかくてきあたえることができるため、しばしば教育きょういくもちいられる。たとえば、うえすう直線ちょくせんではざん)はみぎすすむことであり、ざん)はひだりすすむことである。したがって、

  • 1 + 2 は目盛めもりの 1 から 2 目盛めもみぎすすむから 3 である。
  • 2 - 3 は目盛めもりの 2 から 3 目盛めもひだりすすむから -1 である。

たがいに直交ちょっこうするけられたかず直線ちょくせんによってルネ・デカルト絶対ぜったいてき静止せいし座標ざひょうけい定義ていぎした。これは直交ちょっこう座標ざひょうけいばれる。

原点げんてん固定こていし、原点げんてん始点してんとするはん直線ちょくせんもちいて極座標きょくざひょうけい定義ていぎできる。このときのはん直線ちょくせんはじめせんばれる。

グラフとしての直線ちょくせん

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直交ちょっこう座標ざひょうけいれた 2 次元じげんユークリッド空間くうかん E2かんがえているときには、直線ちょくせん1方程式ほうていしきかたちあたえられる;

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けいのグラフとして直線ちょくせん記述きじゅつすることができる。これは本質ほんしつてきにはベクトルによる記述きじゅつ同等どうとうである。

線分せんぶん形式けいしきてきあつか

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幾何きかがくてき線分せんぶんは、ある 2 てんあいだむすんだ最短さいたん経路けいろである。

形式けいしきてきには、てん集合しゅうごう Vあたえられたとき、直積ちょくせき集合しゅうごう V × Vもと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a, bVたいし (a, b) ~ (b, a) とさだめたときの集合しゅうごう E = V × V / ~ のもと同値どうちるい) [(a, b)] (a, bV, ab) のこと(これをしばしば {a, b} としるす)を abむすんだ線分せんぶんぶ。

このように形式けいしきてき線分せんぶん定義ていぎすれば、グラフ理論りろんなどにおけるあたり線分せんぶんとしてかんがえられる。

内分ないぶんてんそとぶんてん

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うえ線分せんぶんでBはこの線分せんぶん内分ないぶんてんという。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てんである。

線分せんぶん延長線えんちょうせんじょうにDがあるとする。Dはこの線分せんぶんそとぶんてんという。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にそとぶんするてんである。

関連かんれん項目こうもく

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外部がいぶリンク

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