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2 曲線の共通接線 - 接点が別か同じかで変わる立式

つの曲線に同時に接する直線を、共通接線といいます。立て方は 通りに分かれます[1]。

接点が別々の場合は、接点を つ置いて、直線が一致する条件を書きます。接点が同じ場合は、その 点で値と傾きの両方がそろう条件になります。

放物線と双曲線に、同じ直線が触れています。接点は と で、離れた場所にある。

接点が異なる場合の立て方

それぞれの曲線に接点を置き、接線の式を つ作ります。その 本が同じ直線になる条件を書く[2]。

の接点を とすると、接線は次のようになります。

の接点を とすると、傾きは 。

例:傾きと切片をそろえる

本が同じ直線になる条件は、傾きと切片がそれぞれ等しいことです。

上の式から 。これを下の式に入れます。

となり、 です。共通接線は になります。

本の接線を作ってから重ねる、という順序を崩さないところが大事です。先に直線を置くと、未知数が増えて解きにくくなります。

接点が同じ場合

つの曲線が同じ点で接するときは、その点で つの条件が同時に成り立ちます。

値が等しいこと。 です。
傾きが等しいこと。 です。

この つを連立します。共有点を持つだけなら 番目だけで、そこに傾きの条件が加わると接する形になる[3]。

を動かすと、対数曲線が上下に伸び縮みします。ちょうど触れる値がひとつだけある。

例:接する条件から係数を決める

と が接する を求めます。接点の 座標を とおきます。

値が等しい条件と、傾きが等しい条件を並べます。

番目から 。これを 番目に入れます。

となり、 です。接点は になります。

曲線 と が で接する条件はどれか。

  • だけ
  • かつ
  • だけ
__RESULT__

値が等しいだけなら、ただ交わっている状態です。そこに傾きの一致が加わって、はじめて接する形になります。

接点が異なる場合の別の書き方

傾きを文字で置く道もあります。共通接線を とし、それぞれの曲線と接する条件を判別式などで書く形です。

次曲線どうしなら、この書き方が速いこともあります。 と直線が接する条件は、連立した 次方程式の判別式が になること。

指数関数や対数関数が入ると判別式は使えません。接点を置く方法のほうが、どの曲線にも通用します。

接点を置く方法

どの曲線にも使える。接線を 2 本作り、傾きと切片をそろえる

直線を置く方法

2 次曲線どうしで速い。判別式が 0 になる条件を書く

例:接線が 1 本しかない場合

と は、直線 について対称です。共通接線も対称な位置に現れます。

の接点を とすると、接線は 。これが にも接する条件を書きます。

対称性から、 に垂直な方向の関係を使うと計算が短くなります。図をかいて本数の見当をつけてから式を立てると、解の個数の確認になる。

と の共通接線の傾きはどれか。

__RESULT__

放物線の接点を 、双曲線の接点を とおいて連立すると 、 が出ます。傾きは です。

手順をそろえる

接点が別なら、接点を つ置いて接線を 本作ります。
その 本の傾きと切片を、それぞれ等しいとおきます。
接点が同じなら、値の一致と傾きの一致を連立します。
文字は接点の座標で置くのが基本。直線の傾きで置くのは 次曲線どうしのときです。
出た解が定義域に入っているかを、最後に確かめます。

問題文に「共通接線」とあれば、まず接点が別か同じかを読み分けます。そこを間違えると、立てる式ごと変わってしまう。

参考文献

Tangente - Wikipedia(ドイツ語)
Derivatives of Inverse Functions - Calculus Volume 1, OpenStax
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
接点が離れている場合は、接点を 2 つ置いて接線を 2 本作り、傾きと切片をそろえます。$y=x^2$ と $y=8/x$ なら $t^3=-1$ が出て、共通接線は $y=-8x-16$。接点が同じ場合は値の一致と傾きの一致を連立するだけで、$y=x^2$ と $y=a\log x$ が接するのは $a=2e$ のときです。$a$ を動かして触れる瞬間を見る図もつけました。