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直交する2本の接線が引ける点……1本の直線の上に並ぶ

に 2 本の接線を引いて直角に交わらせると、その交点は必ず の上に来ます。

どの 2 本を選んでも高さが変わりません。 座標は動きますが、 座標は で固定されます。

直交という条件が、交点の高さを 1 つに決めてしまう。理由は傾きの積にあります[1]

直交の条件を接点で書く

接点を とします。傾きはそれぞれ です。

垂直に交わる 2 直線は、傾きの積が でした。

整理すると 。2 つの接点の 座標の積が決まりました。

積が負なので、片方は正、もう片方は負です。頂点をはさんで左右に 1 つずつ接点があることになります。

交点の座標を出す

2 本の接線は です。連立します。

なので割れて、。接点の中点の 座標です。

これを 1 本目の式に戻します。

座標は接点の積そのものでした。直交の条件から なので、 に決まります。

接点を動かすと 2 本の接線は回りますが、緑の交点は点線の上を横に滑るだけです。

例:接点の組を具体的に出す

を満たす組を選びます。 なら です。

傾きは 。積が で確かに直交します。

接線は 。連立すると です。

別の組も試します。 なら で、傾きは

接線は 。連立すると になります。

接点の組傾きの組交点
, ,
, ,
, ,

座標は組ごとに違いますが、 座標は動きません。

開き方が変わるとどうなるか

で同じ計算をします。傾きは です。

直交の条件は から

交点の 座標は になるので、代入すると次のとおり。

なら なら なら です。

開きが鋭いほど、直線は頂点の近くに来ます。

頂点が原点にない場合も、頂点から下へ同じだけ離れた高さになります。

なら 。左右にずらしても高さは変わらない。

を平方完成すると です。 なので、交点は の上に並びます。

3 次関数では引けないことがある

で同じことを試します。接点 での傾きは です。

が何であっても 以上。だから 2 つの傾きの積も 以上になります。

になることはありません。 には、直交する 2 本の接線を引ける点が 1 つもない。

傾きが負にならない。積は 以上のままで直交できない

傾きは で負になれる。直交する組が作れる

なら傾きが まで下がります。条件は で、これを満たす実数の組が存在します。

3 次関数で直交の組が作れるかどうかは、導関数が負の値をとれるかで決まる。導関数のグラフが横軸を割るかどうかを先に見ます。

接点を 2 つおいて傾きを書く

積が という式を立てる

その式に実数解があるかを調べる

に直交する 2 本の接線を引いたとき、交点の 座標はいくつですか。

__RESULT__

の場合、交点は の上に並びます。 なので です。 のときの値にあたります。

3 次関数の場合も確かめます。

に直交する 2 本の接線が引けないのはなぜですか。

  • 接線の傾きが負にならないため
  • 接点が 1 つしかとれないため
  • 変曲点があるため
__RESULT__

導関数が なので、傾きはつねに 以上です。2 つ掛けても 以上のままで、 になりません。 のように導関数が負の値をとる 3 次関数なら、直交する組が作れます。

傾きの積が という 1 本の式が、接点の積を固定します。積が決まれば交点の高さも決まる、という筋道です。

参考文献

Normal. Encyclopedia of Mathematics.
3.1 Defining the Derivative. Calculus Volume 1, OpenStax.
Eric W. Weisstein. *Normal Line*. MathWorld, A Wolfram Resource.
$y = x^2$ に直角に交わる 2 本の接線を引くと、その交点はいつも $y = -\dfrac{1}{4}$ の上に来ます。傾きの積が $-1$ という条件が接点の積を $-\dfrac{1}{4}$ に固定し、交点の $y$ 座標がその積そのものになるためです。$y = ax^2$ なら $y = -\dfrac{1}{4a}$、頂点がずれていれば頂点から下へ同じだけ離れた高さ。$y = x^3$ は傾きが負にならないので直交する組が 1 つも作れず、$y = x^3 - 3x$ なら作れます。