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直線や平面の位置関係

空間では、2本の直線が「交わる」「平行」のほかに、「ねじれの位置」という関係があります。直方体の辺や面を使って、直線と直線、直線と平面、平面と平面の位置関係を見分けましょう。

この単元でできるようになること

  • 空間の2直線の位置関係(交わる・平行・ねじれの位置)を見分けられる
  • 直線と平面の位置関係(平面上にある・交わる・平行)を見分けられる
  • 直線が平面に垂直であることの意味を説明できる
  • 2平面の位置関係(交わる・平行)を見分けられる

前に習ったこと

始める前に、次の問題が解けるか確かめよう。

問題を読み込んでいます…

基本を理解する

空間の中の「平面」と「直線」

平面とは

平面(へいめん) とは、どこまでも限りなく広がる平らな面のこと。

  • 机の面・床・壁などをイメージするとよい(ただし、無限に広がると考える)
  • 平面は厚みがない

直線とは

直線 とは、両方向に限りなく伸びるまっすぐな線のこと。

空間で考える

平面上(2次元)では直線どうしの関係は「交わる」か「平行」の2通りだけだった。

空間(3次元) では、もう1つ「ねじれの位置」という関係が加わる。

直線と直線の位置関係

空間内の 2 本の直線には、次の 3 つ の関係がある。

位置関係 意味 同じ平面上にあるか
交わる 1点で交わる 同じ平面上にある
平行 交わらず、延ばしても交わらない 同じ平面上にある
ねじれの位置 交わらず、平行でもない 同じ平面上にない

① 交わる

2 本の直線が 1 点で交わる 関係。

交わる2直線 直線 ℓ₁ と ℓ₂ が点 P で交わっている。 ℓ₁ ℓ₂ P

交わる

2直線が 1点を共有する。その点を交点という。

② 平行

2 本の直線が どこまで延ばしても交わらず、かつ同じ平面上にある 関係。

平行な2直線 直線 ℓ₁ と ℓ₂ は同じ平面上にあり、どこまでのばしても交わらない(平行)。 ℓ₁ ℓ₂ どこまでのばしても交わらない

平行(記号:∥)

\(\ell_1 \parallel \ell_2\) と書く。2 直線は同じ方向に向き、共通点がない。

③ ねじれの位置

交わらず、かつ平行でもない関係。同じ平面上に置けない 2 直線。

空間(3 次元)でしか起こらない関係。

ねじれの位置にある2直線 直方体の辺で、ℓ₁(手前の下の辺 EF)と ℓ₂(右うしろのたての辺 CG)は、交わらず平行でもない。ねじれの位置にある。 ℓ₁ ℓ₂

ねじれの位置のポイント

  • 交わっていない(共通点がない)
  • 平行でもない(向きが異なる)
  • 同じ平面上に 2 本とも乗せることができない

平面上(2次元)では絶対に起こらない。空間(3次元)特有の関係。

直方体で位置関係をすべて確認しよう

直方体の辺を使うと、3つの位置関係をすべて確認できる。

直方体 ABCD-EFGH 上の面が ABCD、下の面が EFGH の直方体。AE、BF、CG、DH が縦の辺。見えない辺は破線。 A B C D E F G H

辺 AB に対する各辺の位置関係

辺 AB(前面の下辺)を基準にする。

辺 AB と、ほかの辺の位置関係 辺 AB(赤の太線)を基準にする。STEP 1:AB と交わる辺 AD・AE・BC・BF。STEP 2:AB と平行な辺 DC・EF・HG(破線)。STEP 3:AB とねじれの位置にある辺 CG・DH・EH・FG(太い点線)。 A B C D E F G H

直線と平面の位置関係

直線と平面の位置関係は 3 つ ある。

位置関係 意味
平面上にある 直線が平面の中に含まれる
交わる 直線が平面と 1 点で交わる
平行 直線が平面と交わらない(共通点なし)

① 直線が平面上にある

直線がまるごと平面の中に含まれている状態。

平面上にある直線 直線 ℓ が平面 α の上にある(平面にふくまれる)。 α ℓ

② 直線が平面と交わる

直線が平面に 1 点でつき刺さる状態。

平面と交わる直線 直線 ℓ が平面 α と点 P で交わる。平面より下の部分は破線。 α ℓ P

直線が平面に垂直な場合(⊥)

交わる角度が 90° のとき、直線は平面に垂直という。

平面に垂直な直線 直線 ℓ が平面 α と点 H で交わり、H を通る平面上の2本の直線のどちらとも垂直になっている。 α ℓ H

直線が平面に垂直(記号:⊥)

直線 \(\ell\) が平面 \(\alpha\) 上のすべての直線と垂直なとき、\(\ell \perp \alpha\) と書く。

身近な例: 柱(四角柱・円柱)の高さの線と底面の関係

③ 直線が平面に平行

直線が平面と 1点も共有しない(交わらない)状態。

平面に平行な直線 直線 ℓ は平面 α の上方にあり、平面 α と交わらない(平行)。 α ℓ どこも交わらない

直線と平面が平行(記号:∥)

直線 \(\ell\) が平面 \(\alpha\) とまったく交わらないとき、\(\ell \parallel \alpha\) と書く。

身近な例: 机の面(平面)に対して机の真上を水平に飛ぶ飛行機の軌跡

平面と平面の位置関係

2 つの平面の位置関係は 2 つ ある。

位置関係 意味
交わる 1 本の直線(交線)を共有する
平行 まったく交わらない

① 2平面が交わる

2 つの平面が 1 本の直線(交線) で交わる。

交わる2平面 水平な平面 α と、たての平面 β が交わっている。2つの平面が共有する直線が交線。 α β 交線

身近な例

  • 床と壁 → 垂直に交わる(交線は壁の端の線)
  • 本を開いたとき → 2 ページが背表紙の線(交線)で交わる

② 2平面が平行

2 つの平面がまったく交わらない状態。

平行な2平面 上の平面 β と下の平面 α は、どこまで広げても交わらない(平行)。 α β 交わらない

身近な例

  • 床と天井 → 平行(どこも交わらない)
  • 重ねた本のページ → 平行な平面

直方体で平面の位置関係を確認

直方体の平行な面 直方体 ABCD-EFGH で、上の面 ABCD(斜線)と下の面 EFGH(点)は平行。 A B C D E F G H

直方体 ABCD-EFGH で確認できる平面の関係:

平行な面(∥):

  • 上の面 ABCD ∥ 下の面 EFGH
  • 前の面 ABFE ∥ うしろの面 DCGH
  • 左の面 AEHD ∥ 右の面 BFGC

垂直に交わる面:

  • 上の面 ABCD ⊥ 前の面 ABFE(交線は辺 AB)
  • 上の面 ABCD ⊥ 右の面 BFGC(交線は辺 BC)
  • など

動かして確かめる

ねじれの位置は、図だけではイメージしにくいところです。 実際に直方体を指で回して、辺どうしの関係を色で確かめてください。

「ねじれだけ」を選ぶと、平行でも交わりもしない4本だけが残ります。

例題

例題1 直線と直線の位置関係

直方体 ABCD-EFGH で、辺 AE に対する次の辺の位置関係を答えよ。

(1) 辺 BF  (2) 辺 AB  (3) 辺 DC  (4) 辺 HG

解答

辺 AE は「縦の柱」の辺。

(1) 辺 BF:BF も縦の辺。同じ方向で交わらない → 平行

(2) 辺 AB:A を共有している → 交わる

(3) 辺 DC:上面の辺(横向き)。AE と交わらず、方向も異なる → ねじれの位置

(4) 辺 HG:上面の辺(横向き)。AE と交わらず、方向も異なる → ねじれの位置


例題2 直線と平面の位置関係

直方体 ABCD-EFGH で、直線と平面の位置関係を答えよ。

(1) 辺 EF と底面 EFGH  (2) 辺 AE と底面 EFGH  (3) 辺 AB と底面 EFGH

解答

(1) 辺 EF と底面 EFGH:EF は底面の辺 → 平面上にある

(2) 辺 AE と底面 EFGH:AE は底面と E で交わり、底面の辺 EF・EH の両方と垂直 → 垂直(⊥)

(3) 辺 AB と底面 EFGH:AB は上の面の辺で、底面と交わらない → 平行(∥)


例題3 平面と平面の位置関係

直方体 ABCD-EFGH で、次の平面の位置関係を答えよ。

(1) 底面 EFGH と上面 ABCD  (2) 底面 EFGH と前面 ABFE

解答

(1):どこも交わらない → 平行(∥)

(2):辺 EF を共有して交わり、直角をなす → 垂直に交わる

自分でやってみる

解いたら「答えを確認」で確かめよう。

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まとめ

直線と直線の位置関係(3通り)

位置関係 特徴 同一平面上
交わる 1点を共有 ○
平行(∥) 共通点なし・同方向 ○
ねじれの位置 共通点なし・方向が異なる ✗

直線と平面の位置関係(3通り)

位置関係 特徴
平面上にある 直線が平面に含まれる
交わる(垂直を含む) 1点で交わる
平行(∥) 共通点なし

平面と平面の位置関係(2通り)

位置関係 特徴
交わる(垂直を含む) 1本の直線(交線)を共有
平行(∥) 共通点なし

直方体を使って確認するコツ

試験で迷ったら直方体の図をかいて確かめる。

  • ねじれか確認したいとき → 「同じ面にある?」→ あればねじれでない
  • 平行か確認したいとき → 「同じ方向を向いている?」→ 向いていれば平行候補

理解度チェック

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