
数学において、ユークリッド空間内の2点間のユークリッド距離とは、それらの点を結ぶ線分の長さのことである。これは、ピタゴラスの定理を用いて点のデカルト座標から計算できるため、ピタゴラス距離と呼ばれることもある。
これらの名称は、古代ギリシャの数学者ユークリッドとピタゴラスに由来する。ユークリッドの『原論』に代表されるギリシャの演繹 幾何学では、距離は数値ではなく、同じ長さの線分で表され、それらは「等しい」と考えられていた。距離の概念は、円を描く際に用いられるコンパスという道具に内在しており、円の中心点からすべての点が同じ距離にある。ピタゴラスの定理と距離計算との関連性が認識されたのは18世紀になってからのことである。
点ではない2つのオブジェクト間の距離は、通常、その2つのオブジェクトから得られる点のペア間の最小距離として定義されます。点から直線までの距離など、さまざまな種類のオブジェクト間の距離を計算する公式が知られています。高度な数学では、距離の概念は抽象的な距離空間に一般化され、ユークリッド距離以外の距離も研究されています。統計学や最適化におけるいくつかの応用例では、距離そのものの代わりにユークリッド距離の二乗が用いられます。
実数直線上の任意の2点間の距離は、それらの座標の数値差の絶対値、つまり絶対差です。したがって、そして実数直線上の 2 つの点である場合、それらの間の距離は次のように与えられます。[ 1 ]
同じ値を与えるが、より高次元に容易に一般化できる、より複雑な式は次のとおりです。[ 1 ]
ユークリッド平面において、点をデカルト座標を持つそしてポイント座標を持っているすると、間の距離はそしては次のように与えられる:[ 2 ]
これは、水平辺と垂直辺を持つ直角三角形にピタゴラスの定理を適用することで確認できます。に斜辺として。平方根の中の2つの2乗の公式は水平方向と垂直方向の正方形の面積を与え、外側の平方根は斜辺上の正方形の面積を斜辺の長さに変換します。[ 3 ]ピタゴラスの加算演算の観点から多くのソフトウェアライブラリで利用可能であるhypot同じ式は、次のように表現できます。[ 4 ]
極座標で与えられた点の距離を計算することも可能である。はそして極座標ははすると、それらの距離は[ 2 ]余弦定理によって与えられる。
いつそして複素平面上の複素数として表現される場合、実数として表現される一次元点と同じ公式を使用できますが、ここでは絶対値記号は複素ノルムを示します。[ 5 ]

3次元空間において、デカルト座標で与えられた点間の距離は
一般に、デカルト座標で与えられた点については次元ユークリッド空間では、距離は[ 6 ]
ユークリッド距離は、ユークリッドベクトル差のユークリッドノルムを用いてより簡潔に表現することもできます。[ 7 ]
点ではないオブジェクトのペアの場合、距離は、2つのオブジェクトから任意の2点間の最小距離として最も単純に定義できますが、ハウスドルフ距離など、点から集合へのより複雑な一般化も一般的に使用されています。[ 8 ]さまざまな種類のオブジェクト間の距離を計算する式には、次のものがあります。
点から曲線までの距離は、その曲線に平行な曲線、つまりすべての点が与えられた曲線から同じ距離にある別の曲線を定義するために使用できます。 [ 11 ]
ユークリッド距離は距離空間における距離の典型的な例であり、[ 12 ]距離空間のすべての定義特性を満たします。[ 13 ]
もう一つの性質であるプトレマイオスの不等式は、4点間のユークリッド距離に関するものである。、、、 そしてと記載されている。
平面上の点については、これは、任意の四角形について、その四角形の対辺の積の合計が、その対角線の積以上の数になる、と言い換えることができます。ただし、プトレマイオスの不等式は、配置方法に関係なく、任意の次元のユークリッド空間の点に、より一般的に適用されます。[ 14 ]ユークリッド空間ではない距離空間の点については、この不等式は成り立たない場合があります。ユークリッド距離幾何学は、プトレマイオスの不等式などのユークリッド距離の性質と、与えられた距離の集合がユークリッド空間の点から得られたものかどうかをテストする際のそれらの応用を研究します。[ 15 ]
ベックマン・クォールズの定理によれば、単位距離を保存するユークリッド平面または高次元ユークリッド空間の変換は、すべての距離を保存する等長変換でなければならない。[ 16 ]
多くのアプリケーション、特に距離を比較する場合、平方根は順序を変えないため、ユークリッド距離の計算で最後の平方根を省略する方が便利な場合があります(かつその場合に限り) この省略によって得られる値はユークリッド距離の二乗であり、二乗ユークリッド距離と呼ばれます。[ 17 ]例えば、ユークリッド最小全域木は、距離の数値ではなく、距離間の順序のみを使用して決定できます。二乗距離を比較すると、同じ結果が得られますが、不要な平方根の計算を回避し、数値精度の問題を回避できます。[ 18 ]方程式として、二乗距離は二乗の和として表すことができます。
距離比較への応用以外にも、二乗ユークリッド距離は統計学において中心的な重要性を持ち、観測値と推定値の間の二乗距離の平均を最小化することによって統計的推定値をデータに適合させる標準的な方法である最小二乗法[ 19 ]や、確率分布を比較するための最も単純な形式のダイバージェンスとして使用されます[ 20 ]。最小二乗法で行われるように、二乗距離同士を加算することは、(二乗されていない)距離に対するピタゴラス加算と呼ばれる演算に対応します[ 21 ]。クラスター分析では、二乗距離を使用して、より長い距離の効果を強めることができます[ 17 ]。
二乗ユークリッド距離は三角不等式を満たさないため、距離空間を形成しません。[ 22 ]しかし、距離とは異なり、二乗ユークリッド距離は滑らかで厳密に凸関数です。距離は滑らかではなく(ほぼ等しい点のペア)、凸関数ですが厳密に凸ではありません。そのため、凸解析を使用できることから、最適化理論では二乗距離が好まれます。二乗は非負の値の単調関数であるため、二乗距離を最小化することはユークリッド距離を最小化することと同等であり、最適化問題はどちらの観点からも同等ですが、二乗距離を使用すると簡単に解くことができます。[ 23 ]
有限集合内の点のペア間のすべての二乗距離の集合は、ユークリッド距離行列に格納することができ、この形式で距離幾何学で使用される。[ 24 ]
数学のより高度な分野では、ユークリッド空間をベクトル空間として見た場合、その距離は、各ベクトルと原点との距離として定義されるユークリッドノルムと呼ばれるノルムに関連付けられます。他のノルムと比較したこのノルムの重要な性質の1つは、原点を中心とした空間の任意の回転の下で変化しないことです。[ 25 ]ドヴォレツキーの定理により、すべての有限次元ノルム付きベクトル空間には、ノルムが近似的にユークリッドとなる高次元部分空間が存在します。ユークリッドノルムはこの性質を持つ唯一のノルムです。[ 26 ]これは、 L2ノルムまたはL2距離として無限次元ベクトル空間に拡張できます。[ 27 ]ユークリッド距離は、ユークリッド空間に位相空間の構造、すなわちユークリッド位相を与え、開球(与えられた点から与えられた距離よりも小さい点の部分集合)をその近傍とします。[ 28 ]

実座標空間および関数空間におけるその他の一般的な距離:[ 29 ]
3次元空間の曲面上の点については、ユークリッド距離は、曲面に属する最短曲線の長さである測地距離と区別する必要がある。特に、地球やその他の球面またはほぼ球面上の大円距離を測定するために使用されてきた距離には、球面上の2点間の経度と緯度から大円距離を与えるハバーサイン距離や、回転楕円体上の距離を表す「ヴィンセント距離」としても知られるヴィンセントの公式などがある。[ 30 ]
ユークリッド距離は、ユークリッド空間における距離です。これらの概念はどちらも、古代ギリシャの数学者ユークリッドにちなんで名付けられており、彼の著書『原論』は何世紀にもわたって幾何学の標準的な教科書となりました。[ 31 ]長さと距離の概念は文化を超えて広く存在し、紀元前4千年紀(ユークリッドよりはるか以前)のシュメールの現存する最古の「原文字」官僚文書にまで遡ることができ、 [ 32 ]速度や時間といった関連概念よりも早く子供に発達すると仮説が立てられています。[ 33 ]しかし、2点から定義される数としての距離の概念は、実際にはユークリッドの『原論』には登場しません。代わりに、ユークリッドはこの概念を、線分の合同、線分の長さの比較、比例の概念を通して暗黙のうちに扱っています。[ 34 ]
ピタゴラスの定理も古くから存在していますが、距離の測定において中心的な役割を果たすようになったのは、 1637年にルネ・デカルトがデカルト座標を発明した後です。距離の公式自体は、1731年にアレクシス・クレローによって初めて発表されました。[ 35 ]この公式のため、ユークリッド距離はピタゴラス距離とも呼ばれます。[ 36 ]地球表面上の長距離の正確な測定(ユークリッド距離ではない)は、古代から多くの文化で研究されてきましたが(測地学の歴史を参照)、数学的空間内の点間の距離を測定する唯一の方法がユークリッド距離ではないかもしれないという考えは、さらに後になって、19世紀の非ユークリッド幾何学の定式化とともに現れました。[ 37 ] 3 次元を超える幾何学に対するユークリッドノルムとユークリッド距離の定義も、19 世紀にオーギュスタン=ルイ・コーシーの研究で初めて登場した。[ 38 ]