平面の方程式 

点 P ( x 0 , y 0 , z 0 ) を通り,法線ベクトルが n → = ( a , b , c ) の平面の方程式は

a ( x − x 0 ) + b ( y − y 0 ) + c ( z − z 0 ) = 0

と表わされる.また,平面の方程式は一般に

a x + b y + c z + d = 0   (一般形)

と表される.このとき,平面の法線ベクトルは n → = ( a , b , c ) となる.

■平面の方程式の導出

平面は,空間中の点と平面に垂直な法線ベクトルが決まれば,一意的に決まる.平面上の点 P の座標を ( x 0 , y 0 , z 0 ) ,法線ベクトルを n → = ( a , b , c ) とし,平面上の任意の点 Q の座標を ( x , y , z ) とすると,ベクトル PQ ⟶ は平面に含まれる. n → は平面の法線ベクトルなので, n → と PQ ⟶ のなす角は90°である.よって内積がゼロとなるので

n → · PQ ⟶ = 0    

となる.この関係から

( a , b , c ) · ( x − x 0 , y − y 0 , z − z 0 ) = 0 a ( x − x 0 ) + b ( y − y 0 ) + c ( z − z 0 ) = 0

となり,平面の方程式が求まる.

■平面の方程式の求め方のいろいろ】

●空間中の3点で決まる平面の方程式

空間中の3点を A ( a x , a y , a z ) , B ( b x , b y , b z ) , C ( c x , c y , c z ) を含む平面の方程式の求め方.

●方法1

3点を含む平面上の点をP ( x , y , z ) とすると, AB ⟶ と AC ⟶ を用いて AP ⟶ を表すと

m AB ⟶ + n AC ⟶ = AP ⟶

となる. m , n は媒介変数.これを座標で表すと

m { ( b x , b y , b z ) − ( a x , a y , a z ) } + n { ( c x , c y , c z ) − ( a x , a y , a z ) } = { ( x , y , z ) − ( a x , a y , a z ) }

となり,整理すると

( m ( b x − a x ) + n ( c x − a x ) , m ( b y − a y ) + n ( c y − a y ) , m ( b z − a z ) + n ( c z − a z ) ) = ( x − a x , y − a y , z − a z )

となる.各座標を比べると

{ m ( b x − a x ) + n ( c x − a x ) = x − a x m ( b y − a y ) + n ( c y − a y ) = y − a y m ( b z − a z ) + n ( c z − a z ) = z − a z

となる.この関係式から, m , n を消去すると平面の方程式が得られる.

●方法2

平面の方程式の一般形の a x + b y + c z + d = 0 に点 A ,点 B ,点 C の座標を代入して得られる連立方程式

{ a · a x + b · a y + c · a z + d = 0 a · b x + b · b y + c · b z + d = 0 a · c x + b · c y + c · c z + d = 0

を解いても3点を含む平面の方程式を求めることができる.

●方法3

平面の法線ベクトル n → を

n → = ( l , m , n )

とする.

A B → ⋅ n → = 0

A C → ⋅ n → = 0  

より, n → = ( l , m , n ) を求める.

点 A ( a x , a y , a z ) を通り,法線ベクトルが n → = ( l , m , n ) より,平面の方程式は

l ( x − a x ) + m ( y − a y ) + n ( z − a z ) = 0

となる.

●方法4

平面の法線ベクトル n → は外積を用いると

n → = A B → × A C →

となる.

法線ベクトル n → が求まり,平面は点 A を通ることより,平面の方程式を求めることができる.

 

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最終更新日: 2025年4月22日