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2つの曲線が接するとはどういうことか?接点で傾きもそろう

と が接するのは のときで、接点は です。

接するとは、共有点をもつだけではありません。その点で 2 本の傾きまで一致していることを指します[1]。

条件は 2 つの式で書けます。接点の 座標を とすると、値が等しいことと、導関数の値が等しいこと。

交わるのと接するのはどう違うか

2 つの曲線が交わるだけなら、共有点で傾きは別々です。片方がもう片方を横切っていく。

接している場合は、共有点で 2 本が同じ向きを向いています。触れるだけで通り抜けない。

交わる

共有点で傾きが違う。曲線どうしが交差して反対側へ抜ける

接する

共有点で傾きも一致する。触れるだけで、そこから離れていく

だから条件が 2 本立ちます。1 本目は共有点があること、2 本目は傾きがそろうことです。

2 つの交点が近づいて 1 点に重なるところが、接している瞬間です。そこから先は共有点がなくなります。

例:放物線と直線

と が接する を求めます。接点を とおきます。

傾きの条件は なので 。値の条件は です。

を入れると から 。接点は になります。

判別式で解いた場合と比べる

同じ問題は、連立方程式の重解条件でも解けます。

を整理すると 。判別式が になればよい。

で、同じ答えです。重解は なので接点も一致します。

判別式が使えるのは、連立した式が 2 次方程式になるときだけ。

3 次以上になると判別式の形が複雑になる。傾きをそろえる条件のほうは次数によらず使える。

例:3 次関数と直線

と が接する を求めます。

傾きの条件は なので 。接点の候補が 2 つ出ました。

のとき、値の条件は で 。接点は です。

のとき で 。接点は になります。

の値が 2 つ出るのは、3 次曲線が上下に 1 か所ずつ、直線と同じ傾きになる場所をもつためです。

接点

のときの連立は 。 が重解で、 でも交わっています。

接していても、別の場所で交わることはあります。触れる点と横切る点の両方をもつ形です。

例:2 つの放物線

と が接する を求めます。

傾きの条件は で 。

値の条件は です。 を入れると で 。

接点は になります。 と が、そこで触れている。

接点では 2 つの曲線に共通の接線が 1 本引けます。接するということは、同じ接線を分け合うことです。

例:3 次関数と放物線

と が接する を求めます。

傾きの条件は 、つまり で または 。

のとき、値の条件は で 。接点は原点です。

のとき で 。接点は になります。

接点の 座標を とおく

傾きの条件から を絞る

値の条件に代入して残りの文字を決める

傾きの条件を先に使うと、 の候補が少数に絞れます。そのあとで値の条件を当てるほうが計算が軽い。

例:2 か所で接する

接点が 1 つとは限りません。 と で確かめます。

傾きの条件は 、つまり で 。

値の条件は です。移項すると で 。

両方を満たすのは と 。 は傾きだけそろい、値がそろいません。

2 か所で接しています。 と で、それぞれ接線は と です。

接点の近くを拡大する

接している 2 本を、接点のまわりで強く拡大すると、どちらも同じ直線に見えてきます。

値がそろっているので出発点が同じ、傾きもそろっているので向きも同じ。狭い範囲では見分けがつかなくなります。

拡大するほど 2 本と点線の区別がつかなくなります。3 本とも同じ向き、同じ位置から出ているためです。

例:接する条件から係数を 2 つ決める

が と で接するとします。 と を求めます。

接点の が と分かっているので、条件をそのまま当てはめます。

傾きは で、 から 、つまり 。

値は で、 から です。

が と で接しています。連立すると で、確かに重解。

と が接するときの はどれですか。

__RESULT__

傾きの条件は から 。値の条件は で、 から です。判別式でも の で同じ答えになります。

3 次の場合も確かめます。

と が接するときの をすべて挙げるとどれですか。

  • と
  • のみ
  • のみ
__RESULT__

は水平な直線なので、傾きの条件は から 。値の条件は で、 なら 、 なら です。極大値と極小値の高さにあたります。

値がそろい、傾きもそろう。この 2 本の式を書ければ、相手が何次式でも同じ手順で解けます。

出典

3.1 Defining the Derivative. Calculus Volume 1, OpenStax.
Chapitre 3 — Dérivation, étude de fonctions. MathSV, Université Claude Bernard Lyon 1.
Nombre dérivé – Fonction dérivée. Maths-Cours.fr.
$y = x^2$ と $y = 2x + a$ が接するのは $a = -1$ のとき。共有点をもつだけでは接したことになりません。その点で導関数の値まで一致している必要があります。条件は $f(t) = g(t)$ と $f'(t) = g'(t)$ の 2 本。判別式が使えるのは連立が 2 次方程式になるときだけですが、傾きをそろえる条件は次数によりません。$y = x^3$ と直線では $a$ が 2 つ出て、接していても別の場所で交わる。3 次と放物線、接する条件から係数を 2 つ決める形まで並べました。