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曲線に引ける接線の本数は接点の個数を数えれば決まる

から曲線に引ける接線の本数は、接点がいくつあるかで決まります。接点を文字で置き、その方程式の実数解を数えます[1]

手順は つです。

接点を と置き、接線の式を作ります。
その直線が点 を通る条件を書きます。
についての方程式ができます。
実数解の個数を、増減表かグラフで数えます[2]

解の個数がそのまま接線の本数です。 の値そのものは要りません。

点を縦に動かすと、接線の本数が 本から 本まで変わります。境目では、 本のうち 本が接点を重ねて消える。

例:3 次曲線に外から引く

に、点 から引ける接線の本数を調べます。接点を とすると接線は次のとおり。

を通る条件を書きます。

右辺を とおき、 の解の個数を数えます。

のとき、 で極小値 で極大値 です。

のとき、接線は 本。
または のとき、 本。
または のとき、 本。

は、点が曲線の上にある場合です。そこでの接線と、反対側から触れる接線の 本になります。

曲線と 軸が平面を分けています。色を付けた か所にある点からは 本、外側からは 本。

境界の上にある点からは 本です。領域の図をかいてしまえば、場合分けの答えがそのまま読めます。

例:放物線には 2 本まで

に点 から引く場合を見ます。接点を とすると接線は

次方程式です。判別式は なので、 なら 本、 なら 本、 なら 本。

は点が放物線の上にある場合で、そこでの接線だけになります。放物線の内側からは 本も引けません。

次曲線で 本まで引けるのは、 の方程式が 次になるためです。次数がそのまま上限を決めています。

に点 から引ける接線は何本か。

__RESULT__

なので です。 にあたるので 本になります。点は曲線の下、 軸の上にある位置です。

接点が重なるとき

方程式が重解を持つ場合、接線は 本にまとまります。本数を数えるときは、異なる実数解の個数を数えます[3]

の原点がその例です。 から引ける接線は 本だけ。方程式 重解になります。

「解の個数」と「異なる解の個数」を読み分けるところが、この単元のつまずきどころです。

曲線上の点から引く場合

点が曲線の上にあると、その点での接線が必ず 本あります。それ以外に、別の場所で触れる接線が加わることもあります。

の点 から引くと、 での接線と、 での接線の 本。曲線が 字に曲がっているので、反対側からも触れられます。

放物線では、上にある点から引ける接線はその点での 本だけ。曲線の曲がり方が一方向なので、ほかに触れる場所がありません。

に点 から引ける接線は何本か。

__RESULT__

です。 となり成り立ちません。ここは放物線の内側なので 本、と早合点しがちですが、 を確かめると実数解がなく、答えは 本です。

気をつけるところ

接点を置くのは曲線の側です。点 の座標を文字にしない。
が曲線の上にあっても、接線が 本とは限りません。
重解は 本と数えます。異なる実数解の個数が答えです。
本数を場合分けするときは、境界の値を必ず別に扱います。
領域の図をかくと、場合分けの結果が目で確かめられます。

接線の本数の問題は、方程式の実数解の個数の問題に置き換わります。増減表を書く作業に持ち込めれば、あとは数えるだけ。

参考文献

Tangente - Wikipedia(ドイツ語)
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
The Mean Value Theorem - Calculus Volume 1, OpenStax
接点を $t$ と置き、接線が点 $\mathrm{A}$ を通る条件を書くと、$t$ の方程式ができます。その実数解の個数がそのまま本数。点を縦に動かすと接線が 1 本から 3 本へ増える様子を動かして見ます。$y=x^3$ では曲線と $x$ 軸が平面を分け、内側の領域からは 3 本。放物線は 2 本までで、内側からは引けません。重解を 1 本と数える点も扱います。