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English

接点が分からないなら文字でおく〜曲線の外の点から引く接線

から放物線 へは、接線が 2 本引けます。 です。

この点は放物線の上にありません。だから接点がどこかも分かっていない。接点を先に決められないところが、この型の難しさです。

わからないものは文字でおきます。接点を として、条件から を求める[1]

接点が与えられている場合との違い

接点が分かっていれば、公式に代入するだけで終わります。

なら で、接線は

ところが「点 から接線を引け」では、代入する がありません。 は接点ではないためです。

曲線上の点が与えられる

その点が接点。公式に代入するだけで式が出る

曲線外の点が与えられる

その点は接線が通る点。接点は別の場所にあり、まず探す必要がある

問題を見たら、与えられた点が曲線の上にあるかどうかを先に確かめます。代入して等式が成り立つかを見るだけ。

に入れると で成り立ちません。曲線の外の点です。

解く手順

接点を とおくところから始めます。

接点を とおく

接線の方程式を の式で書く

通る点の座標を代入して を解く

を接線の式へ戻す

の接点を とすると、傾きは です。

この直線が を通るので、 を入れます。

から 。接点が 2 つ出たので、接線も 2 本になります。

なら なら です。

赤い点は接点ではありません。2 本の接線がそこで交わっているだけです。緑の点が接点になります。

例:頂点がずれた放物線

から に引いた接線を求めます。

なので、接点を とすると傾きは です。

を代入します。

から で、

のとき接線は のとき です。

例:接線が 1 本だけになる

から に引きます。接線 に代入する。

が出ます。接線は の 2 本です。

一方、原点 から引くと の重解。接線は の 1 本だけになります。

原点は放物線の上にあるので、そこが接点そのもの。曲線上の点から引ける接線は 1 本です。

の方程式が重解になったら、接線は 1 本にまとまる

異なる 2 解なら 2 本、重解なら 1 本、実数解がなければ 0 本になる。

例:接線が引けない位置

から に引こうとします。

左辺は正、右辺は 以下なので、成り立つ がありません。実数解なしです。

この点は放物線の内側にあります。内側からは、どちらを向いても曲線を突き抜けてしまう。

放物線の下側にいるあいだは 2 本、境目の曲線上で 1 本、内側に入ると 本。 の 2 次方程式の判別式が、この境目を決めています。

例:3 次関数から引く

から に引いた接線を求めます。

接点を とすると なので、接線はこうなります。

を代入して整理します。

が重解、 が単解です。接線は から から の 2 本。

3 次関数では の方程式が 3 次になるので、解が最大 3 つ。接線も最大 3 本まで引けます[2]

の方程式の解接線の本数
異なる 3 解3 本
重解を含む 2 解2 本
1 解のみ1 本

例:曲線上の点から 2 本引ける

放物線では、曲線上の点から引ける接線は 1 本だけでした。3 次関数だと事情が変わります。

の点 で試します。 なので、この点は曲線の上にあります。

接点を とすると、接線は次のとおり。

を代入して整理します。

が重解、 が単解です。

からは という水平な接線。これは点そのものでの接線です。

からは 。曲線の左側で接し、そこから伸びて を通ります。

曲線の上にある点でも、離れた場所で接する線が別に引けることがある。3 次関数では最初にこれを疑います。

接点が重解になる意味

接するというのは、曲線と直線を連立したときに重解が出る、ということでした[3]

を連立すると になります。

が重解です。1 点で 2 回出会っている、という形が接するの中身になります。

接する

連立した方程式が重解をもつ。触れるだけで通り抜けない

交わる

異なる解をもつ。曲線を横切って反対側へ抜ける

から曲線 に接線を引くとき、接点の 座標はどれですか。

__RESULT__

接線 を代入すると なので です。 と読み違えた形にあたります。

本数の判定も確かめます。

から放物線 に引ける接線は何本ですか。

__RESULT__

接点を とすると接線は を代入して 、つまり となり実数解がありません。頂点 より上にあるので、この点は放物線の内側です。

接点が分からないなら文字でおく。この一手さえ出れば、あとは代入して方程式を解くだけです。

参考

3.1 Defining the Derivative. Calculus Volume 1, OpenStax.
David Guichard. *2.1: The Slope of a Function*/02:_Instantaneous_Rate_of_Change-_The_Derivative/2.01:_The_Slope_of_a_Function). Calculus, Whitman College.
Nombre dérivé – Fonction dérivée. Maths-Cours.fr.
点 $(0, -1)$ から $y = x^2$ へは接線が 2 本引けます。この点は放物線の上にないので、接点がどこかも分かりません。そこで接点を $(t, t^2)$ とおき、接線 $y = 2tx - t^2$ が通る条件から $t$ を解く。$t$ の方程式が異なる 2 解なら 2 本、重解なら 1 本、実数解がなければ 0 本になります。放物線の内側にある点からは 1 本も引けません。3 次関数では $t$ の方程式が 3 次になるので最大 3 本、しかも曲線上の点から 2 本引けることもある。$(1, -2)$ での実例まで追いました。