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複素数平面で直線を式に書く、単位円の接線の出し方

複素数平面の直線は、 と の 1 次式で書けます。 と を通る直線なら次の形です。

だけでは書けません。共役が入って初めて直線になります。

実数になる条件から作る

点 が と を通る直線の上にあるのは、 が実数のときです[1]。

実数の条件は でした。分母を払って整理します。

と について整理すると、冒頭の式が出ます。右辺の は純虚数で、左辺も純虚数になります。

例: と を通る直線

、 です。

右辺は になります。

を入れると で成り立ちます。 でも となり、確かに同じ直線の上に乗る。

単位円上の弦は短くなる

と が単位円の上にあると、、 が使えます[1]。

これを入れて を掛け、共通因子の で割ると、式が一気に短くなります。

係数が 3 つとも と だけで書けました。単位円にのせる置き方が効く場面です。

例:弦の式を確かめる

、 とします。、 です。

なら で成り立ちます。 なら で、こちらも成り立つ。

中点の を入れると 。線分の内部の点も同じ式をみたします。

接線は弦の極限

を へ近づけると、弦は接線に近づきます。式のほうも を入れるだけ。

における単位円の接線です。2 点で切っていた直線が、1 点で触れる直線に変わりました[3]。

例: における接線

を入れます。、 です。

なので、実部が の点の集合。実軸に垂直な直線です。

接点 を通り、半径である実軸と直角に交わっています。接線が半径と直角になるという性質が、式の形に出ました。

例: における接線

なら 、 です。

なので、虚部が の点の集合。実軸に平行な直線になります。

こちらも接点 を通り、半径である虚軸と直角です。

例:2 本の接線が交わる点

と における接線の交点は、次の形になります[1]。

、 で試します。 です。

さきほどの 2 本は と でした。交点は で一致します。

、つまり が の反対側にあるときは分母が です。2 本の接線が平行になり、交わりません。

例:外部の点から引く接線

逆に、円の外の点 から単位円へ接線を引くこともできます。接点は 2 つあり、長さの等しい 2 本が引けます[3]。

から引くなら、接点は と です。、 で、確かに長さがそろっています。

交点の式 を 、 について解くと接点が出ます。行きと帰りが同じ式で結ばれている。

2 点を通る直線
単位円の弦
単位円の接線
2 本の接線の交点

単位円上の点 における接線の式はどれですか。

__RESULT__

なので 、 です。式は となり、虚部が の直線を表します。 の形は実部を表すので接点と合わず、 のほうは における接線になります。

要点

直線は と の 1 次式で書けます。共役が入らないと直線になりません[2]。

単位円にのせると、弦が 、接線が という短い形になります。

接線は弦で とした極限です。別々の公式ではなく、1 つの式の特別な場合。

2 本の接線の交点も と だけで書け、 のときだけ交わらない。分母が になる場面が、平行という図形の言葉に対応しています。

出典

Evan Chen. *Bashing Geometry with Complex Numbers*. 2015.
Marc Deisenroth. *Complex Numbers*. Revision Notes, Imperial College London, Department of Computing, 2017.
Circle Tangent Line. Wolfram MathWorld.
直線は $z$ だけでは書けません。$\dfrac{z-\alpha}{\beta-\alpha}$ が実数という条件から分母を払うと、$z$ と $\bar{z}$ の 1 次式が出ます。$\alpha$ と $\beta$ を単位円にのせると $\bar{\alpha}=\frac{1}{\alpha}$ が使えて、弦は $z+\alpha\beta\bar{z} = \alpha+\beta$ へ短くなる。接線はそこで $\beta=\alpha$ とした極限で、$z+\alpha^2\bar{z} = 2\alpha$ になります。2 本の接線の交点は $\frac{2\alpha\beta}{\alpha+\beta}$ で、$\alpha+\beta=0$ のときだけ平行になって交わりません。