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直線の方程式(複素平面)

●垂直二等分線の方程式

複素平面において,点 α と点 β の中点 α + β 2 を通り,点 α と点 β を結ぶ線分に垂直な直線の方程式

z − α = z − β ・・・・・・(1)

線分の垂直二等分線の方程式を参照

●一般形

  • 原点 O と点 γ を結ぶ線分に垂直な直線の方程式

    γ ¯ z + γ z ¯ + c = 0    ( c は実数 ) ・・・・・・(2) ⇒ 解説

  • 原点 O と点 ω を結ぶ線分に平行な直線の方程式

    ω ¯ z − ω z ¯ + λ = 0    ( λ は純虚数) ・・・・・・(3) ⇒ 解説

    (2)の両辺に i をかけたも( b − a i = ω , i c = λ とおいている)

●媒介変数表示

  • 点 α を通り原点 O と点 ω を結ぶ線分に平行な直線の方程式

    z = α + t ω    ( t は媒介変数(実数)) ・・・・・・(4) ⇒ 解説

  • 点 α を通り原点 O と点 γ を結ぶ線分に垂直な直線の方程式

    z = α − t γ i    ( t は媒介変数(実数)) ・・・・・・(5) ⇒ 解説

  • 点 α と点 β を通る直線の方程式

    z = α + t β − α    ( t は媒介変数(実数)) ・・・・・・(6)

    (4)に ω=β−α を代入したものになる

●個別の形

  • 点 α を通り原点 O と点 ω を結ぶ線分に平行な直線の方程式

    z − α ω = z − α ω ¯ ・・・・・・(7) ⇒ 解説

  • 点 α を通り原点 O と点 γ を結ぶ線分に垂直な直線の方程式

    z − α γ = − z − α γ ¯ ・・・・・・(8) ⇒ 解説

■解説

点 α ,点 β はドラックすると動かすことができる.

●(2)の方程式の解説

原点 O と点 γ を結ぶ線分に垂直な直線の方程式

γ ¯ z + γ z ¯ + c = 0    ( c は実数 )

を導く.

(1)の両辺を2乗する.

z − α 2 = z − β 2

z − α z − α ¯ = z − β z − β ¯ (∵ z   z ¯ = z 2 ,ここを参照)

z − α z ¯ − α ¯ = z − β z ¯ − β ¯ (ここを参照)

z z ¯ − α ¯ z − α z ¯ + α α ¯ = z z ¯ − β ¯ z − β z ¯ + β β ¯

β ¯ − α ¯ z + β − α z ¯ + α α ¯ − β β ¯ = 0

β − α ¯ z + β − α z ¯ + α 2 − β 2 = 0

β − α = γ , α 2 − β 2 = c とおくと

γ ¯ z + γ z ¯ + c = 0

となり,(2)が得られる.

(2)の直線は

  • 点 α と点 β を結ぶ線分の垂直二等分線である.
  • γ = β − α .解説すると,原点 O と点 γ を結ぶ線分は点 α と点 β を結ぶ線分と平行である.
より,直線は,原点 O と点 γ を結ぶ線分と垂直な関係である.

◇備考

γ = a + b i , z = x + y i とおく.ただし, a , b , x , y は実数とする.これらを(2)に代入し,以下のように式変形をする.

a − b i x + y i + a + b i x − y i + c = 0

a − b i x + y i + a + b i x − y i + c = 0

a x + a y i − b x i + b y + a x − a y i + b x i + b y + c = 0

2 a x + 2 b y + c = 0

a x + b y + c 2 = 0 ・・・・・・(9)

(9)は座標平面の直線の方程式の(2)の一般形の形になっている.

●(3)の方程式の解説

原点 O と点 ω を結ぶ線分に平行な直線の方程式

ω ¯ z − ω z ¯ + λ = 0    ( λ は純虚数)

を導く.

(2)の両辺に i をかける.

i γ ¯ z + i γ z ¯ + i c = 0 ・・・・・・(10)

γ = a + b i を(10)に代入する.

i a + b i ¯ z + i a + b i z ¯ + i c = 0

i a − b i z + i a + b i z ¯ + i c = 0

b + a i z − b − a i z ¯ + i c = 0

b − a i = ω , i c = λ とおくと

ω ¯ z − ω z ¯ + λ = 0

となり(3)が得られる.

(3)の直線は

  • 点 α と点 β を結ぶ線分の垂直二等分線である.
  • ω = b − a i = − i a + b i = − i γ より,点 ω は点 γ を原点 O を中心に時計回りに90°回転させた点になる(複素数の積を参照).よって,原点 O と点 ω を結ぶ線分は,原点 O と点 γ を結ぶ線分と垂直,言い換えると,点 α と点 β を結ぶ線分と垂直である.
より,直線は,原点 O と点 ω を結ぶ線分と平行な関係である.

◇備考

ω = b − a i , λ = c i , z = x + y i とおく.ただし, a , b , c , x , y は実数とする.これらを(3)に代入し,以下のように式変形をする.

b − a i ¯ x + y i − b − a i x + y i ¯ + c i = 0

b + a i x + y i − b − a i x − y i + c i = 0

b x + b y i + a x i − a y − b x + b y i + a x i − a y + c i = 0

2 a x i + 2 b y i + c i = 0

a x + b y + c 2 = 0 ・・・・・・(11)

(11)は(9)と一致し,座標平面の直線の方程式の(2)の一般形の形になっている.

●(4)の方程式の解説

z = α + t ω    ( t は媒介変数(実数))

複素数の和,複素数の実数倍を参照

●(5)の方程式の解説

z = α − t γ i    ( t は媒介変数(実数))

複素数の和,複素数の積,複素数の実数倍を参照

●(7)の方程式の解説

点 α を通り原点 O と点 ω を結ぶ線分に平行な直線の方程式は

z − α ω = z − α ω ¯

を導く.

(4)の z = α + t ω より

z − α = t ω

z − α ω = t ・・・・・・(12)

(10)の両辺の共役な複素数をとる.

z − α ω ¯ = t ・・・・・・(13)

(12),(13)より

z − α ω = z − α ω ¯

となり,(7)が得られる.

(7)を以下のように式変形をする(共役な複素数の基本式を参照).

z − α ω = z ¯ − α ¯ ω ¯

ω ¯ z − α = ω z ¯ − α ¯

ω ¯ z − ω z ¯ + ω α ¯ − ω ¯ α = 0

ω ¯ z − ω z ¯ + ω α ¯ − ω α ¯ ¯ = 0

ω α ¯ − ω α ¯ ¯ は,複素数とその共役な複素数の差であるので,純虚数になる.よって,(3)の一般形になる.

●(8)の方程式の解説

点 α を通り原点 O と点 γ を結ぶ線分に垂直な直線の方程式は

z − α γ = − z − α γ ¯ ・・・・・・(8)

を導く.

(5)の z = α − t γ i より

z − α =− t γ i

z − α γ =− t i ・・・・・・(14)

(14)の両辺の共役な複素数をとる.

z − α γ ¯ = t i ・・・・・・(15)

(14),(15)より

z − α γ = − z − α γ ¯

となり,(8)が得られる.

(8)を以下のように式変形をする(共役な複素数の基本式を参照).

z − α γ = − z ¯ − α ¯ γ ¯

γ ¯ z − α = − γ z ¯ − α ¯

γ ¯ z + γ z ¯ − γ α ¯ − γ ¯ α = 0

γ ¯ z + γ z ¯ − γ α ¯ + γ α ¯ ¯ = 0

γ α ¯ + γ α ¯ ¯ は,複素数とその共役な複素数の和であるので,実数になる.よって,(2)の一般形になる.

 

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最終更新日: 2025年12月3日

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