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図形と方程式|三角形の重心の座標について

数学2 図形と方程式 直線上の点、平面上の点数学II

今回は、三角形の重心の座標について学習しましょう。三角形の重心は、中点や内分点などと共に頻出です。また、後で学習するベクトルでも頻繁に目にします。

重心の作図の仕方はもちろんですが、その性質や扱い方をしっかりマスターしておきましょう。

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数直線上の線分の内分点・外分点

重心のことを学習する前に、内分点と外分点のことを知っておきましょう。

線分を特定の比で分割する点のことを分点と言います。それが線分の内側、つまり線分上にある分点であれば、内分点と言います。

また、線分の外側、つまり線分の延長線上にある分点であれば、外分点と言います。外分点は線分を分割しているとは言い辛いので、初めのうちは理解に苦しむかもしれません。

数直線上の線分の内分点

数直線上において、内分点の座標は、以下のように表されます。

数直線上の線分の内分点①
\begin{align*}
&\text{数直線上の2点 $A(a),B(b)$ に対して、線分ABを $m:n$ に内分する} \\[ 5pt ]
&\text{点を $P(x)$ とする。ただし、$m \gt 0 \ , \ n \gt 0$ とする。} \\[ 5pt ]
&\text{このとき、内分点Pの座標は} \\[ 5pt ]
&\quad x=\frac{na+mb}{m+n}
\end{align*}

内分点の座標を導出してみましょう。

数直線上の線分の内分点の座標

数直線上の線分の内分点②
\begin{align*}
&\text{数直線上の2点 $A(a),B(b)$ に対して、線分ABを $m:n$ に内分する} \\[ 5pt ]
&\text{点を $P(x)$ とする。ただし、$m \gt 0 \ , \ n \gt 0$ とする。} \\[ 5pt ]
&\text{このとき} \\[ 5pt ]
&\quad AP:BP=m:n \\[ 7pt ]
&\text{より} \\[ 5pt ]
&\quad nAP=mBP \\[ 7pt ]
&\text{ここで} \\[ 5pt ]
&\quad AP=x-a \ , \ BP=b-x \\[ 7pt ]
&\text{より} \\[ 5pt ]
&\quad n \bigl(x-a \bigr)=m \bigl(b-x \bigr) \\[ 7pt ]
&\text{$x$ について整理すると} \\[ 5pt ]
&\quad x=\frac{na+mb}{m+n}
\end{align*}

演習をこなしているうちに覚えていきますが、分母と分子の比の並び(逆になっている)に注目すると覚えやすいかもしれません。

なお、「線分ABを2:1に内分する」と「線分BAを2:1に内分する」は全く意味が異なります。「線分ABを2:1に内分する」は、点Aの方から2:1になるように内分します。それに対して「線分BAを2:1に内分する」は、点Bの方から2:1になるように内分します。

数直線上の線分の外分点

数直線上において、外分点の座標は、以下のように表されます。

数直線上の線分の外分点①
\begin{align*}
&\text{数直線上の2点 $A(a),B(b)$ に対して、線分ABを $m:n$ に外分する} \\[ 5pt ]
&\text{点を $Q(x)$ とする。ただし、$m \gt 0 \ , \ n \gt 0$ とする。} \\[ 5pt ]
&\text{このとき、外分点Qの座標は} \\[ 5pt ]
&\quad x=\frac{-na+mb}{m-n} \quad \bigl( m \neq n \bigr)
\end{align*}

外分点を扱うとき、内分点よりも注意が必要です。図から分かるように、外分点の取り方は比の mn の大小によって、外分点の位置が決まります。比の数字が大きい方が外分点までの距離が長くなり、数字の小さい方が外分点までの距離が短くなります。

どちらも場合であっても、上述した公式で外分点の座標を求めることができますが、外分比に注意しましょう。

数直線上の線分の外分点の座標

外分点の座標を導出してみましょう。

数直線上の線分の外分点②
\begin{align*}
&\text{数直線上の2点 $A(a),B(b)$ に対して、線分ABを $m:n$ に外分する} \\[ 5pt ]
&\text{点を $Q(x)$ とする。ただし、$m \gt 0 \ , \ n \gt 0$ とする。} \\[ 5pt ]
&\text{このとき} \\[ 5pt ]
&\quad AQ:BQ=m:n \\[ 7pt ]
&\text{より} \\[ 5pt ]
&\quad nAQ=mBQ \\[ 7pt ]
&\text{ここで、$m \gt n$ のとき} \\[ 5pt ]
&\quad AQ=x-a \ , \ BQ=x-b \\[ 7pt ]
&\text{より} \\[ 5pt ]
&\quad n \bigl(x-a \bigr)=m \bigl(x-b \bigr) \\[ 7pt ]
&\text{$x$ について整理すると} \\[ 5pt ]
&\quad x=\frac{-na+mb}{m-n} \\[ 7pt ]
&\text{これは、$m \lt n$ のときも同様である。}
\end{align*}

内分点の座標を覚えることができれば、外分点の座標は $n$ を $-n$ に置き換えるだけ済むので覚えるのも早いでしょう。それよりも、外分点をしっかり作図できるようにしておくことが大切です。意外と作図できないので気を付けましょう。

平面上の線分の内分点・外分点

平面上の線分の内分点や外分点を考えます。これらの座標は、平行線と線分の比の関係を利用して、x座標とy座標をそれぞれ別々に計算することによって得られます。x軸上だけで見れば、数直線上の線分の内分点や外分点です。y軸上でも同様です。

平面上の線分の内分点や外分点の座標

上図では、線分ABを内分する内分点を示していますが、外分点でも考え方は同じです。

平面上の線分の内分点・外分点
\begin{align*}
&\text{$m \gt 0 \ , \ n \gt 0$ のとき、2点 $A(x_{1} \ , \ y_{1}) \ , \ B(x_{2} \ , \ y_{2})$ に対して、} \\[ 5pt ]
&\text{線分ABを $m:n$ に内分する点の座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{n x_{1}+m x_{2}}{m+n} \ , \ \frac{n y_{1}+m y_{2}}{m+n} \biggr) \\[ 7pt ]
&\text{また、線分ABを $m:n$ に外分する点の座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{-n x_{1}+m x_{2}}{m-n} \ , \ \frac{-n y_{1}+m y_{2}}{m-n} \biggr)
\end{align*}

x座標だけ、y座標だけで計算します。2次元で考えるのではなく、1次元に次元を落とすのがコツです。

中点の座標

中点は線分を二等分する点です。見方を変えると、中点は線分を1:1に内分する内分点と考えることができます。ですから、内分点の公式に内分比1:1を代入すると、以下のように表せます。

中点の座標
\begin{align*}
&\text{$A(x_{1} \ , \ y_{1}) \ , \ B(x_{2} \ , \ y_{2})$ とするとき、} \\[ 5pt ]
&\text{線分ABの中点の座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{x_{1}+x_{2}}{2} \ , \ \frac{y_{1}+y_{2}}{2} \biggr)
\end{align*}

中点の座標を見ると、線分の両端にある2点の座標の平均であることが分かります。

三角形の重心

三角形の重心について、もう一度確認しておきましょう。三角形の重心3本の中線の交点です。中線は、頂点とその対辺の中点とを結んだ線分のことです。重心は、中線を2:1に内分する内分点でもあります。

重心による内分比の導出

内分比は、中学レベルの知識で導出できるので、きちんとマスターしておきましょう。

三角形の重心の座標

三角形の重心の座標は以下のように表されます。

三角形の重心の座標
\begin{align*}
&\text{$A(x_{1} \ , \ y_{1}) \ , \ B(x_{2} \ , \ y_{2}) \ , \ B(x_{3} \ , \ y_{3})$ とするとき、} \\[ 5pt ]
&\text{△ABCの重心の座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{x_{1}+x_{2}+x_{3}}{3} \ , \ \frac{y_{1}+y_{2}+y_{3}}{3} \biggr)
\end{align*}

導出は以下の通りです。

重心を頂点にもつ三角形の面積の図

重心の座標の導出
\begin{align*}
&\text{△ABCにおいて、辺BCの中点をP、重心をGとする。} \\[ 5pt ]
&\text{また、$A(x_{1} \ , \ y_{1}) \ , \ B(x_{2} \ , \ y_{2}) \ , \ C(x_{3} \ , \ y_{3}) \ , \ G(x \ , \ y)$ とする。} \\[ 5pt ]
&\text{このとき、中点Pの座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{x_{2}+x_{3}}{2} \ , \ \frac{y_{2}+y_{3}}{2} \biggr) \\[ 7pt ]
&\text{また、重心Gは線分APを $AG:GP=2:1$ に内分するので} \\[ 5pt ]
&\text{x座標について} \\[ 5pt ]
&\quad x=\frac{ \biggl( 1 \cdot x_{1}+2 \cdot \frac{x_{2}+x_{3}}{2} \biggr)}{2+1} \\[ 7pt ]
&\text{が成り立つ。} \\[ 5pt ]
&\text{これを整理すると} \\[ 5pt ]
&\quad x=\frac{x_{1}+x_{2}+x_{3}}{3} \\[ 7pt ]
&\text{y座標も同様にして} \\[ 5pt ]
&\quad y= \frac{y_{1}+y_{2}+y_{3}}{3} \\[ 7pt ]
&\text{したがって、重心Gの座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{x_{1}+x_{2}+x_{3}}{3} \ , \ \frac{y_{1}+y_{2}+y_{3}}{3} \biggr)
\end{align*}

重心の座標を見ると、三角形の頂点である3点の座標の平均であることが分かります。

点の座標を求めてみよう

例題
\begin{align*}
&(1) \quad \text{座標平面上に3点 $A(3 \ , \ 4) \ , \ B(-3 \ , \ 1) \ , \ C(5 \ , \ -2)$ がある。} \\[ 5pt ]
&\qquad \text{このとき、線分ABを $2:1$ に内分する点Dの座標を求めよ。} \\[ 7pt ]
&\qquad \text{また、線分ACを $3:1$ に外分する点Eの座標を求めよ。} \\[ 7pt ]
&(2) \quad \text{3点 $(-1 \ , \ 2) \ , \ (3 \ , \ -4) \ , \ (7 \ , \ -4)$ を頂点とする} \\[ 5pt ]
&\qquad \text{三角形の重心の座標を求めよ。}
\end{align*}

例題(1)の解答・解説

例題(1)
\begin{align*}
&(1) \quad \text{座標平面上に3点 $A(3 \ , \ 4) \ , \ B(-3 \ , \ 1) \ , \ C(5 \ , \ -2)$ がある。} \\[ 5pt ]
&\qquad \text{このとき、線分ABを $2:1$ に内分する点Dの座標を求めよ。} \\[ 7pt ]
&\qquad \text{また、線分ACを $3:1$ に外分する点Eの座標を求めよ。}
\end{align*}

比に注意しましょう。線分ABをAの方から2:1の内分します。つまり、点Dは $AD:BD=2:1$ となるように、線分AB上に取ります。

はじめに、内分点Dの座標を求めます。公式を覚えるために、対応する値を代入した式を記述するようにしましょう。

例題(1)の解答例①
\begin{align*}
&\text{内分点Dの座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{1 \cdot 3+2 \cdot (-3)}{2+1} \ , \ \frac{1 \cdot 4+2 \cdot 1}{2+1} \biggr) \\[ 7pt ]
&\text{よって} \\[ 5pt ]
&\quad D \bigl(-1 \ , \ 2 \bigr)
\end{align*}

次に、外分点Eの座標を求めます。比に注意しましょう。線分ACを3:1に外分するので、点Eは $AE:CE=3:1$ となるように、点C側に延長して取ります。

例題(1)の解答例②
\begin{align*}
&\quad \vdots \\[ 7pt ]
&\text{外分点Eの座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{(-1) \cdot 3+3 \cdot 5}{3-1} \ , \ \frac{(-1) \cdot 4+3 \cdot (-2)}{3-1} \biggr) \\[ 7pt ]
&\text{よって} \\[ 5pt ]
&\quad E \bigl(6 \ , \ -5 \bigr)
\end{align*}

例題(2)の解答・解説

例題(2)
\begin{align*}
&(2) \quad \text{3点 $(-1 \ , \ 2) \ , \ (3 \ , \ -4) \ , \ (7 \ , \ -4)$ を頂点とする} \\[ 5pt ]
&\qquad \text{三角形の重心の座標を求めよ。}
\end{align*}

三角形の重心も公式に代入して計算します。

例題(2)の解答例
\begin{align*}
&\text{重心の座標は} \\[ 5pt ]
&\quad \biggl(\frac{(-1)+3+7}{3} \ , \ \frac{2+(-4)+(-4)}{3} \biggr) \\[ 7pt ]
&\text{よって} \\[ 5pt ]
&\quad \bigl(3 \ , \ -2 \bigr)
\end{align*}

重心の座標は、分母が3と決まっているので、内分点や外分点に比べると覚えやすいでしょう。

次は、三角形の重心の座標を扱った問題を実際に解いてみましょう。

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