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English

接線と法線の方程式(点 1 つと傾き 1 つで直線は決まる)

接線を作るのに要るのは、通る点と傾きの つだけです。点は 、傾きは

法線は、その接線と直角に交わる直線です[1]。直角に交わる 直線は傾きの積が になるので、法線の傾きは

接点が動くと、接線と法線は角度を保ったまま向きを変えます。接線の傾きが になる山と谷では、法線が縦を向く。

例:放物線の接線と法線

での接線を求めます。

法線の傾きは です。同じ点を通るので、次の式になります。

を確かめておくと、符号の入れ忘れに気づけます。

例:対数関数の接線

での接線です。

原点の少し右で、傾き の直線が曲線に触れます。 より下にあることは、この接線から読めます。

例:3 乗根の曲線に接線を引く

での接線を作ります[2] から

指数が分数でも手順は変わりません。値と傾きを つ計算するだけです。

曲線の外の点から引く接線

「点 から に引いた接線」のような問題では、接点が分かりません。そこで接点を文字で置きます。

接点を とすると、傾きは 。接線の式は次のとおり。

これが を通る条件を書きます。 を代入すると となり、

接線は 本になりました。接点が分からないときは文字で置く、という手順がそのまま答えにつながります。

「その点を通る」と「その点で接する」を混同しないところが分かれ目です。 は放物線の上にありません。

上の点 における法線の方程式はどれか。

__RESULT__

なので接線の傾きは 、法線の傾きは です。点 を通るので となります。

2 つの曲線が接する条件

曲線と直線が接するのは、同じ点を共有し、そこで傾きも一致するときです。

が接する を求めます。接点を とすると、条件は つ。

番目から です。 番目に戻すと または

値が等しいだけでは交わるだけです。傾きの一致まで書いて、はじめて接する条件になります。

陰関数や媒介変数のとき

接線の作り方は、傾きの求め方が変わるだけで同じです[3]

なら 。点 での傾きは となり、接線は です。

媒介変数なら で割って傾きを出します。あとは点を代入するだけ。

接線は最良の 1 次近似

接線は、その点のごく近くで曲線といちばんよく重なる直線です[2]

を見積もるなら、 での接線を使います。 なので

実際の値は で、小数第 位まで合っています。接点から離れるほど、ずれは大きくなる。

から に引いた接線の本数はどれか。

__RESULT__

接点を とすると接線は です。 を通る条件から となり、 の 2 つが出ます。

手順をそろえる

接点の 座標を決めます。与えられていなければ と置きます。
を計算します。値と傾きの つです。
に入れます。法線なら傾きを に替えます。
通るべき点があれば代入し、 の方程式を解きます。
の点では法線が縦向きになるので、 と書きます。

接点を文字で置くところまで進めば、あとは方程式を解く作業です。図をかいて本数の見当をつけておくと、解の個数の確認になります。

参考文献

Tangente - Wikipedia(ドイツ語)
Linear Approximations and Differentials - Calculus Volume 1, OpenStax
Implicit Differentiation - Calculus Volume 1, OpenStax
接線は $y = f(a) + f'(a)(x-a)$、法線は傾きを $-1/f'(a)$ に替えるだけ。接点が動くと 2 本が直角を保ったまま向きを変える様子を図で追えます。曲線の外の点から引くときは接点を $t$ と置き、通る条件を方程式にする。2 曲線が接する条件、陰関数や媒介変数のとき、そして接線を使って $\sqrt{9.1}$ を見積もる話まで並べました。