【数学Ⅱ】3-2 直線の決定条件・2直線の平行と垂直・点と直線の距離公式

数学Ⅱ

図形と方程式における「直線」の扱い方をマスターします。直線の式を作る基本から、2直線の平行・垂直関係、そして超重要な「点と直線の距離公式」までを詳しく解説します。

1. 直線の方程式の作り方

直線は「通る1点と傾き」または「通る2点」が与えられれば1つに決まります。

① 通る1点 $(x_1, y_1)$ と傾き $m$ が分かっているとき

$$y – y_1 = m(x – x_1)$$

② 通る2点 $(x_1, y_1), (x_2, y_2)$ が分かっているとき

  • $x_1 \neq x_2$ のとき(傾きが存在する):$$y – y_1 = \frac{y_2 – y_1}{x_2 – x_1}(x – x_1)$$
  • $x_1 = x_2$ のとき($y$ 軸に平行な直線):$$x = x_1$$

2. 2直線の位置関係(平行条件・垂直条件)

2直線 $l_1: y = m_1x + k_1$ と $l_2: y = m_2x + k_2$ の関係は傾きで決まります。

  • 平行条件:$m_1 = m_2$ (傾きが等しい)
  • 垂直条件:$m_1 m_2 = -1$ (傾きの積が $-1$)

一般形($ax + by + c = 0$)の場合

2直線 $a_1x + b_1y + c_1 = 0$ と $a_2x + b_2y + c_2 = 0$ について:

  • 平行条件:$a_1b_2 – a_2b_1 = 0$
  • 垂直条件:$a_1a_2 + b_1b_2 = 0$

最重要ポイント:垂直な直線の傾きは「符号を変えて逆数にする」(例: 傾き $2$ に垂直な直線の傾きは $-\frac{1}{2}$)と覚えておきましょう。

3. 点と直線の距離公式

点 $\text{P}(x_1, y_1)$ と直線 $l: ax + by + c = 0$ の最短距離 $d$ は、次の公式で求められます。

$$d = \frac{\vert{}ax_1 + by_1 + c\vert{}}{\sqrt{a^2 + b^2}}$$

公式を使うときの注意点

必ず直線の方程式を $ax + by + c = 0$(一般形) の形にしてから代入してください。

例題

点 $(2, 1)$ と直線 $3x – 4y + 3 = 0$ の距離 $d$ を求めよ。

【解答】

$$d = \frac{\vert{}3(2) – 4(1) + 3\vert{}}{\sqrt{3^2 + (-4)^2}} = \frac{\vert{}6 – 4 + 3\vert{}}{\sqrt{9 + 16}} = \frac{5}{\sqrt{25}} = \frac{5}{5} = 1$$

4. まとめ

  1. 直線の基本形は $y – y_1 = m(x – x_1)$。
  2. 垂直条件は 傾きの積が $-1$。
  3. 点と直線の距離公式は、事前に直線式を $= 0$ の一般形 に整理する。

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