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直線束


概要

平行でない 直線

を考えたとき、 これらの交点を通る直線 は、実数 を用いて、

もしくは

と表せる。( だと、直線にならないので不適)

どっちを使うかは結構好みが分かれるが、以下のような長所と短所があるので注意が必要。うどんかそばか、くらいは悩ましい。

の長所:未知数が つのみ

の短所: を表すことはできない(それ以外の「交点を通る直線」は表せる)

の長所:全ての「交点を通る直線」を表せる(, とすれば、 も表せる)

の短所:未知数が つ発生する

直線

の交点と、点 を通る直線を求める。このとき、直線

は点 を通らないので、求める直線は、上の を使って、 実数 を用いて、

と表される はこの形で表せないので、断っておく必要)。

これに を代入すると、 となるので、求める直線は、

となる。

証明

(お断り:直感的に、式でゴリゴリに示してみますが、 スマートな証明は例えばKoga Masakiさんの「束の原理」の動画を参照!)

直線を、以下のようにおく。

これらが平行でなく交点を持つとすると、

このとき、まずは の式、つまり

で表せる直線の集合と、 の交点( とおく)を通る、 以外の全ての直線の集合が一致することを示す。

】まず、 の直線は必ず を通ることを示す。

とおくと、 上にあるので、

が成り立つ。よって、 の左辺に を代入すると、

となり、 の直線は必ず を通る。

】逆に、 を通る 以外の全ての直線は、 の形で表せていることを示す。

上より の直線は を通ることはわかっているので、 を動かすことにより、 軸に垂直な直線も含めて、 の直線が と異なる全ての傾きを表すことができることを示せばOK。

(i) のとき(← の形にできないので場合分け)、

と仮定すると、 となるが、 より が同時に になることは無いので、矛盾。よって、 となり、 と同値。このとき、 の式は、

となり、傾きが存在しない、 軸に垂直な直線を表すことになる。

(*) より、

また より、 はこのとき 軸に垂直な直線とはならない。

(ii) のとき(これはつまり、(存在すれば)以外の値のとき)、

の式は、

となる。 と仮定すると、 の傾きは

となり、 を考えると、 の値を 以外で調節することで、 以外(つまり の傾き以外)の全ての値をとることが出来る。

他方、 とすると、 より なので、 軸に垂直な直線となり、傾きは存在しない。このとき の傾き は、

となり、 の値を調節することで全ての値をとることが出来る。

以上(i)(ii)より、【】は示される。

よって【】より、 の式で表せる直線の集合と、 の交点( とおく)を通る、 以外の全ての直線の集合が一致する。

また、 の式の場合、つまり

については、

(iii) のときは、条件より、 となり、 なので を表す。

(iv) のときは、両辺を で割ると の式に帰着し、 の交点( とおく)を通る、 以外の全ての直線を表す。

よって(iii)(iv)より、この直線の式 は、 の交点( とおく)を通る全ての直線を表す。

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