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距離の比なら円、和なら楕円、差なら双曲線になる

2 つの定点 を決め、そこからの距離に条件をつけて点を動かします。

和を一定にすれば楕円、差を一定にすれば双曲線。では比を一定にすると何が出るか。答えは円です[1]

比を一定にすると円になる

とし、 とします。 でない正の数。

両辺を 2 乗して分母を払います。

の係数が でそろうので、割ると円の式になります。

中心は 、半径は 。アポロニウスの円と呼ばれます[1]

のときは の項が消え、 の垂直二等分線という直線になります。

で円が直線に化けるのは、2 乗の項の係数が になるからです。

に近づけると円はどんどん大きくなり、極限で直線に開きます。

例:比が の円

とします。 を入れる。

中心は 、半径は です。

軸との交点を見ます。 では で比は

では 。こちらも です。

直径の両端は内分点と外分点

この 2 つの交点には意味があります。 に内分する点と、外分する点。

の内角の二等分線が を切る位置が内分点、外角の二等分線が切る位置が外分点。角の二等分線の定理そのものです。

内分点と外分点を直径の両端とする円が、アポロニウスの円になります。座標を置かずに作図で出せる。

さきほどの例なら、内分点が 、外分点が 。中点の が中心で、半分の が半径です。

和と差の場合

和を一定にすると楕円になります[2]。ただし でないと点がありません。

差を一定にすると双曲線[3]。今度は が条件です。

どちらも等号のときは、線分そのものや半直線という退化した図形になる。

条件軌跡退化するとき
比が一定 で垂直二等分線
和が一定楕円和が に等しいと線分
差が一定双曲線差が に等しいと半直線 2 本
積が一定卵形線 次曲線で、二次曲線ではない

積だけ仲間はずれ

を一定にすると、出てくるのはカッシーニの卵形線です。

左辺を展開すると 次式が残ります。 乗を消しきれないので、二次曲線にはならない。

のときは の字の形になり、レムニスケートと呼ばれます。和・差・比の 3 つだけが二次曲線の側にいる。

相手が直線なら二次曲線がそろう

比を一定にする相手を、点から直線に変えます。定点 までの距離と、定直線までの距離の比。

この比が離心率で、値によって楕円・放物線・双曲線の 3 つが出そろいます[4]

比の相手が点なら円 1 種類。直線なら二次曲線が 3 種類。相手を替えるだけで、出てくる図形の幅が変わります。

それぞれの族の重なり方

比を一定にした円の族は、 も通りません。 を動かすと、 を囲む円と を囲む円に分かれる。

和を一定にした楕円の族は、 を 2 つとも内側に入れる。

差を一定にした双曲線の族は、 を左右に分けます。同じ 2 点から出発しても、条件の形で囲み方が変わる。

比の族

寄りの円と 寄りの円に分かれる

和と差の族

和は 2 点を囲み、差は 2 点を分ける

つまずきやすいところ

を 2 乗するとき、 が正であることを使っています。負の比は考えない。

を式に入れると分母が になります。円の中心の式は で使えないので、はじめから直線として扱う。

和や差の条件では、成り立つ範囲を確かめる。 なら、そんな点は 1 つもありません[2]

を満たす点の軌跡はどれですか。

  • 中心 、半径 の円
  • 中心 、半径 の円
  • 直線
__RESULT__

中心は 、半径は です。 になるのは比が のときになります。

条件の種類も確かめます。

2 定点からの距離の積を一定にすると、どんな曲線が出ますか。

  • 楕円
  • 双曲線
  • 二次曲線ではない 次曲線
__RESULT__

積の条件では 乗が消えず、 次式が残ります。カッシーニの卵形線と呼ばれる曲線です。

和、差、比。3 つの条件がそれぞれ別の曲線を作り、積だけが仲間から外れる。同じ 2 点から、これだけ違う形が出てきます。

参考文献

Apollonius Circle. Wolfram MathWorld.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
2 定点からの距離を、和で縛れば楕円、差で縛れば双曲線。比で縛ると円が出てきます。アポロニウスの円で、中心と半径は $k$ と $c$ だけで書ける。$k = 1$ では $2$ 乗の項が消えて垂直二等分線に化けます。直径の両端が $\mathrm{AB}$ の内分点と外分点になるので、座標を置かずに作図でも出せる。積で縛るとカッシーニの卵形線という $4$ 次曲線になり、ここだけ仲間から外れます。