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条件から軌跡を求めると二次曲線が現れる高校数学の問題

条件を満たす点の集まりを求めると、二次曲線が現れることがあります。円や直線しか出てこない問題との違いは、条件に距離の和や差、比が入っているところです。

手順は 3 段

動く点を (x, y) と置く

条件を x と y の式に翻訳する

整理して曲線の形を読む

段目が要です。「距離が等しい」「和が一定」といった日本語を、そのまま座標の式に写します。

2 定点からの距離の和

, からの距離の和が である点の軌跡を求めます。

条件をそのまま書きます。

楕円の定義そのものなので、 から 、、。

定義を知っていれば、根号の計算に入らずに答えが出ます。 定点が 軸上で原点について対称、という形を見た時点で楕円を疑います。

同じ 定点でも、和を一定にすれば閉じた楕円、差を一定にすれば開いた双曲線になります。条件の 文字で結果が変わります。

距離の差

, からの距離の差の絶対値が である点の軌跡です。

から 、、。

差の場合は が必要です。 が を超えると、そんな点は存在しません。三角形の 辺の差が残りの辺を超えられないためです。

定点と定直線からの距離

点 と直線 から等距離にある点を求めます。

乗して展開します。。 と が消えて

放物線でした。 で 、焦点 、準線 と条件どおりです。

距離の比

点 と直線 からの距離の比が である点を求めます。離心率が なので楕円のはずです。

乗します。。

が両辺で消え、。 で割って

, 、 で焦点は 。条件の が焦点になっています。

比を に逆にすると で双曲線が出ます。同じ形の計算です。

動く円の中心

半径 の円 が原点中心、半径 の円 も原点中心とします。 に外接し に内接する円の中心の軌跡を求めます。

動く円の中心を 、半径を とします。外接だから中心間距離が半径の和、内接だから半径の差です。

足すと 、つまり 。中心は原点から一定距離なので円です。

つの定円の中心が離れている場合は、和や差が一定という形になり、楕円や双曲線が出ます。 を消す、という一手が共通しています。

つの定円に外接しながら大きさを変える円は、中心が破線の楕円をなぞります。 定点からの距離の和が、半径のぶんだけずれて一定になるためです。

軌跡を求めたあとの確認

条件を式に写して整理したら、 つを確かめます。

つは範囲です。 乗する操作で符号の情報が落ちるので、もとの条件を満たさない点が混じることがあります。放物線の例で を 乗しましたが、左辺が 以上なので右辺も 以上、という条件は絶対値が保証しています。

もう つは逆の確認です。「求めた曲線上の点が、たしかに条件を満たす」ことを 行書きます。同値変形で進んだのなら「以上の変形は同値である」でも足ります。

媒介変数で置く道

条件が複雑なときは、動く点を最初から媒介変数で置くと式が軽くなります。

円 上の点 と定点 を結ぶ線分の中点 の軌跡を求めます。

と置きます。中点は

, を に入れて

中心 、半径 の円。 を と置いて条件式を連立するより短く済みます。

動く点を (x, y) と置き、条件を座標の式に翻訳して整理するだけ。2 定点からの距離の和なら楕円、差なら双曲線、定点と定直線から等距離なら放物線、比が一定なら離心率がその比の二次曲線になります。動く円の中心を求める問題では半径を消すのが一手。媒介変数で置いて軽くする例まで並べました。