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円のベクトル方程式と接線の式(距離が一定という 1 行から導く)

中心 、半径 の円は と書けます。中心からの距離が変わらない点の集まり、という定義をそのまま式にした形。

どの向きへ引いても、中心までの長さは同じ です。この一定さだけが円を決めています。

2 乗して内積に直す

のままでは、展開も代入もできません。大きさは足し算に乗らないためです。

そこで両辺を 2 乗します。大きさの 2 乗は、自分自身との内積。

は 以上だから、2 乗しても情報は失われません。左辺を展開すると になる。

ここから先は、すべて内積の計算になります。円の問題で最初にする作業は、たいていこの 2 乗です。

成分にすると円の方程式

、 と置きます。 です。

大きさの 2 乗は成分の 2 乗の和だから、そのまま書き下せる。

見慣れた円の方程式が現れました。ベクトルの式と座標の式は、同じものを別の記号で書いたものです。

例:中心と半径から式を書く

中心 、半径 の円を書きます。

です。 だから となる。符号を落とすと、中心が の別の円になってしまいます。

展開すると 。展開した形からでも、平方完成すれば中心と半径に戻せます。

例:原点が中心のとき

中心が原点なら で、式は に縮む。

成分では です。半径 なら 。

いちばん単純な形なため、接線の計算もここから始めると見通しがよくなります。

直径の両端で書く

、 を直径の両端とします。円周上の点 から と を見た角は直角になる。半円に対する円周角が直角になるという、あの性質です。

緑の印はどれも直角です。 を円周のどこにとっても、 と の内積が になります。

が や に重なるときは片方が になり、内積はやはり 。両端も含めて、この 1 つの式で足ります。

例:直径の両端から円の方程式へ

、 を直径の両端とする円を求める。

と置いて展開します。 です。

整理して 。この形のまま答えてもよく、中心と半径がいるなら平方完成します。

例:直径型と中心半径型を行き来する

を平方完成します。 です。

となり、中心 、半径 。

中心は と の中点 と一致します。半径は で、こちらも合う。

直径の両端が分かる

内積が 0 の式を立てる

展開して平方完成し、中心と半径を読む

接線は半径に垂直

接線は、接点を通り半径に垂直な直線です。垂直という条件は、また内積が 。

接点を 、中心を とすると、接線上の点 について と が垂直になります。

右辺に r の 2 乗が残る理由

この式のままでは、接点が両方の括弧に入っていて扱いにくい。 を、中心からの差 2 つに割ります。

これを代入して展開します。

は円周上の点だから 。右へ移すと が残ります。

成分で書けば、円 上の点 における接線の式になる。

右辺が でないのは、 を移項したためです。接点の座標が片方だけ残るのも、 と の内積という形から来ています。

例:原点中心の円の接線

円 の点 における接線を求めます。中心が原点で 。

公式に入れると です。接点の座標が、そのまま と の係数になります。

一般に 上の点 での接線は 。ベクトルで書けば で、接点の位置ベクトルとの内積が一定という直線になる。

例:中心がずれた円の接線

円 の点 における接線を求める。

まず接点が円周上にあるかを確かめます。 で合っている。

公式に入れると 、つまり です。

展開して 。検算として中心 から までの距離を測ると となり、半径に一致しました。

例:外部の点から接点までの長さ

、、 を結ぶと、 が直角の直角三角形になります。三平方の定理から接線の長さが決まる。

で だから、 です。

点 と円 で計算します。、。

図の 2 つの接点まで、どちらも です。接点がどこにあっても と しか使わないため、2 本の接線の長さは等しくなります。

例:外部の点から引いた 2 本の接線

接点を と置く。接線は で、これが を通るため です。

接点は円周上にもあるため 。 を代入します。

と になりました。接点は と 、接線は と です。

さきほど求めた長さ とも合います。 から までは 、 までも 。

例:交わるか接するかを距離で見る

中心から直線までの距離と半径をくらべると、交点の個数が決まります。

3 本とも の形で、 だけが 、、 と変わります。中心からの距離は で、、、 になります。

半径 より小さい では 2 点で交わり、等しい では接し、大きい では交わりません。

接するかどうかを調べるのに、連立して判別式を見る必要はない。距離と半径をくらべるだけで足ります。

例:内積の形から円を読む

という式を考えます。 を足して引けば平方完成できる。

となり、左辺は です。

中心 、半径 の円になります。 を入れると式が成り立つため、この円は原点を通る。

中心からの距離が一定

の形。大きさが現れたら円

ある向きとの内積が一定

の形。内積が定数なら直線

が現れるか、 だけで書けるか。この違いで円か直線かが決まります。

円 の点 における接線はどれですか。

__RESULT__

だから接点は円周上にあります。 に を入れて です。右辺が ではなく になるのは、 を移項したところから来ています。

大きさのままでは何も動きませんが、2 乗すれば内積の計算に乗ります。円の問題で最初にする作業は、たいていこの 2 乗です。

中心 $C$、半径 $r$ の円は $|\vec{p}-\vec{c}|=r$ と書けます。両辺を 2 乗して内積に直し、成分に落とすと $(x-a)^2+(y-b)^2=r^2$。直径の両端が分かっているときは $(\vec{p}-\vec{a})\cdot(\vec{p}-\vec{b})=0$ で、半円に対する円周角が直角になる性質がそのまま式になっています。接線は接点を通り半径に垂直な直線なので、こちらも内積が $0$。原点中心なら $x_0x+y_0y=r^2$ と、$x$ の片方を接点の値に替えるだけの形になる。外部の点から引いた 2 本の接線、中心からの距離による判定まで。