高校化学2933198 views
世界の国567435 views
LaTeX965557 views
ヒストリア294981 views
Computer370048 views
いろは3025218 views
中学社会670081 views
りんご220229 views
高校日本史191026 views
中学英語813624 views
Help
Tools

English

2 つの交点を通る曲線をまとめて書く - 二次曲線の束

2 つの曲線 と が交わっているとします。このとき は、 が何であっても交点を通る。

交点では も も なので、足しても のままだからです。この でつながった曲線の集まりを束と呼ぶ。

交点を求めずに扱える

交点の座標を知る必要はありません。 と の式さえあれば、通ることが式の形から保証されます。

条件を 1 つ足せば が決まり、曲線が 1 本に定まる。連立方程式を解く手間が消えます。

2 つの円で見る

円 と、円 をとります。

差をとると 次の項が消える。 で 。

これが 2 交点を通る直線、根軸です。交点は 。

例:交点と原点を通る円

同じ 2 円の交点を通り、さらに原点を通る円を求めます。束の式に を代入する。

です。代入して整理すると 。

交点 を入れます。左辺は 。

右辺も で、たしかに通っている。

交点の座標を出さずに答えが決まるのは、通る条件が式の形に組みこまれているからです。

残った自由度は の 1 つだけ。条件を 1 つ足せば、それで曲線が決まります。

二次曲線どうしの束

と がどちらも 次式なら、 も 次式です。交点は最大で 4 つ。

楕円 と、円 で試します。

連立すると 、。交点は の 4 つです。

束の式は次の形になります。

と の係数がどちらも でずれていく。この 2 つの符号で、曲線の種類が決まります[2]。

種類が切りかわる

の係数が になるのは 。このとき式は だけの 次式になります。

で 。横に伸びる 2 本の直線です。4 交点をきちんと通っている。

の係数が消えるのは 。同じ計算で という縦の 2 直線が出ます。

3 組めの 2 直線

定数項が消える もあります。 から 。

を掛けて整理すると 、つまり 。原点で交わる 2 直線です。

4 交点を 2 点ずつの組に分ける分け方は 3 通り。その 3 通りが、いま出てきた 3 組の直線にあたります。

の範囲で種類が決まる

と の符号が同じなら楕円、違えば双曲線です[1]。

ならどちらも正。 ならどちらも負で、こちらも楕円になります。

そのあいだの では符号が食い違い、双曲線が出る。境目の 2 か所が、さきほどの 2 直線です。

の範囲出てくる曲線
楕円
横向きの 2 直線
双曲線
縦向きの 2 直線
楕円

自身は束に入らない

という書き方では、 そのものを表せません。 をどれだけ大きくしても届かない。

と 2 つの係数で書けば、 で が出ます。答案では「 を除く」と断るか、この形にします。

を無限に飛ばした極限が 、と考えるとつながりが見えます[3]。

使いどころ

交点を通る条件が並ぶ問題で効きます。座標が汚い交点でも、束なら整数のまま扱える。

2 円の根軸も、束の特別な場合。 次の項が消えるように を選んだ形です。

放物線と直線の組み合わせでも同じ。 が二次式、 が一次式なら、 は二次式のままです[4]。

交点を解いてから作る

座標が無理数だと式が重くなる

束で作る

交点を出さずに済む。条件 1 つで が決まる

つまずきやすいところ

の と は、右辺を に寄せた形で使います。 のままでは足せません。

条件を代入して が求まらないときは、その曲線が である可能性を疑う。束から外れている場合です。

種類の判定は と の係数だけでは足りません。 の項がある一般の束では、判別式まで見ます[2]。

円 と円 の 2 交点を通る直線はどれですか。

__RESULT__

差をとると で です。 次の項が消えるのは、 を選んだときになります。

束の中身も確かめます。

の形について、正しいのはどれですか。

  • の値によらず の交点を通る
  • を選べば そのものが作れる
  • 交点がないときは式が書けない
__RESULT__

交点では も も なので、どんな でも成り立ちます。 は と書かないと出せません。

交点を通ることを、解かずに式の形で背負わせる。束はそのための道具です。

出典

Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
Rotation of Axes/12%3A_Analytic_Geometry/12.04%3A_Rotation_of_Axes). Algebra and Trigonometry, OpenStax.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
$f = 0$ と $g = 0$ が交わるとき、$f + kg = 0$ は $k$ が何であっても交点を通ります。交点では両方が $0$ になるためです。座標を求めずに条件を課せるので、$2$ 円の根軸も原点を通る円も $k$ ひとつで決まる。楕円と円の $4$ 交点で作った束には、楕円と双曲線に加えて $2$ 直線の組が $3$ つ入ります。$4$ 点を $2$ 組に分ける分け方がちょうど $3$ 通りだからです。