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「半直弦」が決める焦点を通る弦の長さと逆数の和

放物線 の焦点を通る弦を引き、焦点から両端までの距離を 、 とします。すると になる。

弦をどの向きに回しても、この和は変わりません。逆数で足すと角度が消える、という形の関係です。

極方程式に戻ると見える

焦点を原点にとった二次曲線の極方程式は、次の形でした[2,4]。

が離心率、 は のときの にあたる長さです。

焦点を通る弦の両端は、焦点から見て正反対の向きにあります。角度でいえば と 。

逆数にして足すと、 の項が打ち消し合います。

が消えました。弦の向きによらず一定になる理由が、この 2 行に収まっています。

半直弦という長さ

のとき なので 。焦点から軸に垂直な向きに測った距離です。

焦点を通り軸に垂直な弦を通径といい、その半分が 。半直弦と呼ばれます[1]。

楕円で値を出してみます。 を に代入する。

が出ました。通径は です[3]。

曲線半直弦 通径
放物線
楕円
双曲線

双曲線でも計算は同じ形。 を使うので途中の符号だけが変わります。

半直弦は 2 つの距離の調和平均

を について解きます。

これは と の調和平均の形。半直弦は、焦点弦が切られた 2 つの部分の調和平均になっています。

平均なので、 は と のあいだの値。片方が短くなれば、もう片方が必ず長くなります。

例:放物線の焦点弦

では 、、通径は です。焦点は 、準線は 。

焦点までの距離は、準線までの距離と等しい。曲線上の点 について になります。

傾き の焦点弦 を代入すると 、つまり 。

解と係数の関係から 、。距離に直すと 、 です。

弦の長さは 。 の値を求めずに、和と積だけで答えが出ました。

例:垂直な焦点弦

同じ放物線で の縦の弦をとります。 で 、長さは 。

なので、逆数の和は 。さきほどと同じ値です。

これが通径。 という長さは と一致しています。

例:楕円の焦点弦

では 、、。半直弦は で、 です。

長軸そのものを焦点弦と見ると、、。

一致しました。長軸という特別な弦でも、式はそのまま通ります。

いちばん短い焦点弦

を計算すると、次の形になります。

楕円では なので、分母が最大になるのは のとき。そこで弦は最短になります。

つまり通径が、いちばん短い焦点弦です。最長は のときで、値は 。長軸そのもの。

いちばん短い焦点弦

軸に垂直な通径。長さは

いちばん長い焦点弦

軸に沿った長軸。長さは

放物線では なので分母は になり、やはり通径が最短。上限のほうはありません。

放物線の焦点弦にはもう 1 つ性質がある

の点を と媒介変数で書きます。2 点を結ぶ弦が焦点を通る条件は 。

このとき 、。どちらも定数になります。

両端での接線の傾きは と で、積は 。焦点弦の両端の接線は直交します。

双曲線では符号に気をつける

双曲線の焦点弦には 2 種類あります。同じ枝を 2 度切る弦と、2 つの枝にまたがる弦。

同じ枝を切る場合は楕円と同じ式が通ります。またぐ場合、極方程式の が負になる向きが現れる。

このとき素直に足すのではなく、差の形で見ることになります。図を描いて、どちらの弦かを先に決めると確実。

の通径の長さはどれですか。

__RESULT__

半直弦は なので、通径はその 2 倍で です。 は長軸の長さにあたります。

逆数の和も確かめます。

放物線 の焦点を通る弦で、焦点から一方の端までが でした。もう一方の端までの距離はどれですか。

__RESULT__

から 、半直弦は です。 を解くと になります。

弦の長さそのものは角度で変わる。逆数にして足すと変わらない。焦点弦の問題は、この形に持ちこむと計算が短くなります。

参考

Latus Rectum. Wolfram MathWorld.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
Ellipse. Wolfram MathWorld.
Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
$y^2 = 4x$ の焦点を通る弦は、両端までの距離 $r_1$、$r_2$ について $1/r_1 + 1/r_2 = 1$。弦をどう回しても動きません。極方程式 $r = \ell/(1 + e\cos\theta)$ に $\theta$ と $\theta + 180^\circ$ を入れて足すと、$e\cos\theta$ が打ち消し合うためです。半直弦 $\ell$ は $r_1$ と $r_2$ の調和平均で、楕円と双曲線なら $b^2/a$。通径がいちばん短い焦点弦になる理由、放物線で $t_1t_2 = -1$ から出る性質まで。