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双曲線の定義 - 焦点からの距離の差が一定である点の集まり

つの定点からの距離の差が一定になる点を集めると、双曲線になります。

, が焦点。絶対値が付いているのは、どちらが近いかで差の符号が変わるためです。この符号の違いが、 本の枝に対応します。

点が右の枝にいるあいだは左の焦点のほうが遠く、左の枝へ移ると逆になります。それでも 本のバーの差は変わりません。差の値が です。

楕円との対比

同じ 定点でも、和をとるか差をとるかで別の曲線になります。

楕円

焦点を結ぶ線分より長い糸で結ぶので、点は 焦点を囲む閉じた曲線を描く。

双曲線

。差なので点は焦点から遠ざかることができ、曲線は 本に分かれて開く。

の大小が逆になっている点が要です。楕円では 、双曲線では となるのは、この違いから来ています。

差が存在する条件

定点の距離を とすると、差 より小さくなければなりません。

三角形の 辺の差は残りの 辺より小さい、という事実がそのまま効いています。 なら軌跡は 焦点の外側の半直線になり、 なら点が存在しません。

楕円では逆に が必要でした。 で線分に潰れ、それより小さいと点がなくなります。

定義から方程式を導く

焦点を , とし、差を とします。

片方を移項して 乗します。

展開して整理すると 、つまり です。

もう一度 乗します。

が消えて

ここで なので は負です。 と置くと 、両辺を で割って

楕円のときとまったく同じ計算で、 の符号だけが違いました。その符号が の前のマイナスになります。

が斜辺、 が直角をはさむ 辺です。楕円では が斜辺でしたが、双曲線では が斜辺になります。 を伸ばせば が縮み、焦点までの距離は変わりません。

例で式を作る

焦点が 、距離の差が の双曲線を求めます。

から です。

頂点は 、漸近線は , , の直角三角形が現れました。

焦点が 、差が なら縦に開きます。, 。式は です。

逆に差を読む

焦点からの距離の差を求めます。

なので差は から 、焦点は です。

頂点 で確かめます。右の焦点まで 、左の焦点まで 、差は 。合っています。

定義に戻ると速い問題

上の点 について、右の焦点までの距離が のときの左の焦点までの距離を求めます。

差が と分かっているので、左までは 。座標を求める必要はありません。

ただし は負になるので不適。 が右の枝にあることが、この時点で決まっています。

差が一定という性質の使われ方

地点で音や電波の到達時刻の差を測ると、発信源までの距離の差が分かります。差が一定の点は双曲線を描くので、発信源はその曲線上にあると絞れます。

もう 組の観測点で別の双曲線を引き、 本の交点をとれば位置が決まる。船舶や航空機の位置決定に使われてきた仕組みです。

楕円が「和が一定」で閉じた形になるのに対し、双曲線の「差が一定」は測定の差から位置を絞るという使い道につながっています。

2 定点からの距離の差が一定になる点を集めると双曲線になります。差の符号がどちらの枝かを決め、絶対値が付く理由もそこにある。楕円と同じ計算で導けて、違うのは a² - c² の符号だけ。差が存在するには a < c が要ります。焦点から式を作る例、定義に戻ると座標を求めずに済む問題、位置決定への使われ方まで。