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直交する 2 接線の交点が描く円(楕円・双曲線の準円)

楕円 に、直角に交わる 2 本の接線を引きます。交点は必ず の上に来る。

です。一般に なら、交点は半径 の円を描きます[1]。この円を準円と呼びます。

傾きから接線を書く

を楕円に代入し、重解になる条件を出します。整理すると次の関係が残る。

傾き を決めれば、接線は上下に 1 本ずつ。 の符号で 2 本に分かれます[3]。

交点から 2 本の傾きを見る

外の点 を通る接線を考えます。 なので を代入する。

について整理すると、次の 2 次方程式になります。

この方程式の 2 解が、 から引ける 2 本の接線の傾き。解と係数の関係が使えます。

2 本が直交する条件は 。分母を払うと となり、 が出ます。

点 の満たす式が、中心からの距離だけで書けました。これが準円です[2]。

例:傾きが になる点

で、点 から接線を引きます。

、 を代入すると 。整理して です。

傾きは と 。積が なので直交しています。

接線は と 。どちらも を満たしています。

例:長方形の角にあたる点

同じ楕円で点 を見る。 なので、準円の上にある点です。

ここを通る接線は と の 2 本。頂点での接線と、短軸の端での接線です。

縦の直線は傾きが定まらないので、さきほどの の式には乗りません。 となり、2 次の項が消えてしまう。

こういう点では、はじめから縦の接線があると見て処理します。 と の交点は、外接長方形の 4 つの角にあたる。

外接長方形とのつながり

楕円に外接する長方形は、4 辺が接線で、隣り合う辺が直交しています。だから 4 つの角はすべて準円の上に乗る。

対角線の長さは で、傾け方によらず一定です。長方形の外接円が準円そのもの、という言い方もできます[1]。

の円なら準円は 。半径 で、外接正方形の対角線の半分になります。

双曲線の準円は小さくなる

双曲線 の接線条件は です[4]。符号が 1 か所変わる。

同じ手順で を通る接線の傾きを求めると、次の 2 次方程式になります。

とおくと 、つまり 。

半径が になりました。楕円では足していたところが、引き算に変わっています[2]。

準円が消える場合

でなければ、 は正になりません。準円が存在しない双曲線がある、ということです[1]。

の直角双曲線では半径が 。中心 1 点だけが残ります。中心から引いた 2 本の漸近線は、たしかに直交している。

になると、実数の点が 1 つも残らない。漸近線の傾き が急になり、開き方が狭くなるので、直交する 2 本の接線が引けなくなります。

楕円

準円は 。どんな楕円にも必ずある

双曲線

準円は 。 のときだけ現れる

放物線では円が直線にほどける

の接線は と書けます。点 を通るとして代入する。

解と係数の関係から 。これが になるのは のときです。

は準線そのもの。放物線では、直交する 2 接線の交点が準線の上に並びます[1]。

中心が無限に遠ざかると、円は半径が無限大になって直線に近づく。準円が準線にほどけた、と読めます。

準線と準円は別のもの

名前が似ているので混ざりやすいところ。準線は焦点と組みになって離心率を決める直線で、準円は直交する 2 接線の交点が作る円です。

放物線でだけ、この 2 つが同じ直線になります。ほかの曲線では別の図形。

準円の半径には焦点距離 が出てきません。 であって ではない、という点も混同しやすい。

の準円はどれですか。

__RESULT__

です。 は で焦点の位置に関わる値、 は にあたります。

双曲線の側も見ます。

について正しいのはどれですか。

  • 準円は
  • 準円は
  • 準円にあたる実数の点はない
__RESULT__

で負になります。この双曲線には、直交する 2 本の接線が引ける点がありません。

接線を傾きで書き、通る点を代入し、解と係数の関係で積を見る。この 3 手だけで、3 種類すべての答えが出てきます。

出典

Director circle. Wikipedia.
Cercle orthoptique. Bibm@th.
Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
Hyperbola. Wolfram MathWorld.
楕円 $x^2/9 + y^2/4 = 1$ に直角に交わる 2 本の接線を引くと、交点はいつも $x^2 + y^2 = 13$ の上にあります。接線を $y = mx + k$ と置き、通る点を代入して $m$ の $2$ 次方程式にし、解と係数の関係で積を $-1$ とおくだけ。双曲線では半径が $\sqrt{a^2 - b^2}$ になり、$a \leq b$ だと消えてしまう。放物線では円がほどけて準線になります。外接長方形の 4 つの角がこの円に乗る話も。