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xy の項があったら回して消す|二次曲線の回転移動と判別式

のグラフは、中学で習った反比例の曲線です。これを 度回すと になり、双曲線の標準形が現れます。

の項は、曲線が座標軸に対して傾いていることを表す印。回して消せば、知っている形に戻ります。

一般形のどこに傾きが出るか

と の 2 次式は、まとめて次の形に書けます[3]。

と は平行移動、 は大きさに関わる部分。傾きを担っているのは だけです。

なら平方完成で標準形へ持っていけます。 のときは、先に回転させて を消す必要がある[2]。

座標軸を だけ回す

新しい座標 との関係は、回転の公式で書けます[3]。

これを代入して整理すると、 の係数は次のようになります。

とおけば 、言いかえると です[3]。

のときは分母が になり、 すなわち 。よく出てくる形です。

回している最中の楕円は、灰色のまま動きません。動いているのは軸のほう。

例: を回す

、 なので 。 から 、 です。

を代入します。

積をとると 。 は次の式に変わります。

の双曲線です。 と が等しい双曲線は漸近線が直交し、直角双曲線と呼ばれます[4]。

反比例のグラフは双曲線だった。漸近線は 軸と 軸そのもので、たしかに直交しています[1]。

判別式は回しても変わらない

回転角を求める前に、どの種類の曲線かを知る方法があります。 を計算するだけ[3]。

この値は回転で変わりません。だから回す前の式のまま判定できます。

曲線の種類
負楕円
放物線
正双曲線

なら で双曲線。回す前から分かっていた、ということになります。

例:

判別式は 。負なので楕円です[3]。

なので 、。

半角の関係から で、、 になります。

新しい の係数を計算すると 。

長軸が 、短軸が の楕円。それが の向きに傾いていた、と読めます。

係数だけで標準形を出す近道

回転後の と の係数を 、 とします。回しても変わらない量が 2 つあるので、連立できます[2]。

和は 、積は 。この 2 つから と が求まります。

さきほどの例なら で 。角度を求めずに標準形までたどり着けます。

この 2 次方程式には別の顔があります。式の 2 次の部分を行列で書いたときの、固有値を求める式と同じもの。

対称行列は回転で対角化できます[2]。「回して を消す」という操作を、行列の言葉で言い直すと対角化になります。

例:

判別式は なので双曲線です。 なので 。

、 から 。 です。

、 の双曲線。漸近線の傾きは 。

例:判別式が になる場合

を見ます。判別式は なので放物線です。

次の部分は とまとまる。 なので、やはり 回す。

、 を代入すると になります。

を平方完成して、。頂点がずれた放物線です。

回転が先、平行移動があと

の式をいきなり平方完成しようとしても、 が残っていて だけの平方にまとまりません。

順番は回転が先、平行移動があと。回して を消してから と を平方完成で処理します[1]。

逆に なら回す必要はありません。平行移動だけで標準形に届く。

つぶれてしまう場合

判別式が負でも、楕円になるとは限りません。 は原点 1 点、 は空集合です[1]。

判別式が正のとき なら、 という 2 直線になります。

判別式が見ているのは、式の2 次の部分だけです。

定数項まで含めると、同じ判別式でも曲線になったり、1 点になったり、空集合になったりする。

種類の見当をつけるところまでが判別式の仕事。最後は式そのものを確かめます。

はどの曲線ですか。

  • 楕円
  • 放物線
  • 双曲線
__RESULT__

判別式は で正なので双曲線です。 なので 回すと になります。

回転角を求めずに標準形へ届く手も確かめます。

を回したあとの と の係数はどれですか。

  • と
  • と
  • と
__RESULT__

和が 、積が 。 を解くと です。

があるかどうかを見て、あれば回す。回したあとは平方完成に任せる。この 2 段構えで、どんな 2 次式も標準形にたどり着きます。

出典

Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
Rotation of Axes/12%3A_Analytic_Geometry/12.04%3A_Rotation_of_Axes). Algebra and Trigonometry, OpenStax.
Hyperbola. Wolfram MathWorld.
反比例のグラフ $xy = 1$ は、$45$ 度回すと $x^2/2 - y^2/2 = 1$ になります。$xy$ の項は曲線が傾いている印。$\cot 2\theta = (A-C)/B$ で消える角度が出ます。回しても $B^2 - 4AC$ は変わらないので、回す前に楕円・放物線・双曲線のどれかが分かる。和 $A+C$ と積 $AC - B^2/4$ から $2$ 次方程式を立てれば、角度を求めずに標準形へ届きます。回転が先で平行移動があと、という順番の理由まで。