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接線はどこで曲線に戻ってくるか〜接点の反対側に2倍離れた点

の における接線は です。この直線は でもう一度この曲線と交わります。

は の 倍。接点の反対側へ、 倍の距離だけ離れた場所です。

偶然ではありません。3 次関数では、接線が戻ってくる位置が接点から機械的に決まります[1]。

差が重解をもつ形になる

曲線と接線の差を作ります。中心が原点にある形 で計算すると見通しがよい。

接点を とすると接線は です。差を整理します。

括弧の中は で になるので で割れます。2 回割ると次の形。

が重解、 が単解です。重解のところで接し、単解のところで横切ります。

接するということは、差が重解をもつということでした。

3 次式が重解を 1 つ持てば、残る解は 1 つ。その位置が自動的に決まってしまう。

中心がずれている場合

一般の では、対称の中心 を原点と見ます。

接点の位置を中心から測って とすれば、再び交わる位置は中心から です。

もとの座標に直します。

中心が原点なら で 。冒頭の例がこれにあたります。

緑が右へ 1 進むと、紫は左へ 2 進みます。反対向きで速さが 倍という関係です。

中心は 2 つの点を 1 対 2 に分ける

接点が 、戻る点が 、中心が です。3 つの位置関係を見ます。

接点から中心までの距離は 。接点から戻る点までは です。

中心はちょうど の位置にいます。接点から中心まで、中心から戻る点までが 。

例:中心がずれた 3 次関数

で における接線を考えます。中心は です。

戻る点は になるはず。確かめます。

、 から 。接線は です。

連立して整理します。

が出ました。予想と一致します。

中心で接すると戻ってこない

接点が中心そのもの、つまり のときを見ます。

戻る点は 。接点と同じ場所です。

このとき差は という 3 重解の形になり、交点は 1 か所しかありません。

の での接線は 。連立すると で、原点だけを共有します。

接点が中心以外

差は の形。触れる点と横切る点の 2 か所

接点が中心

差は の形。1 か所で触れながら横切る

中心で接する線だけが特別です。触れると同時に突き抜けるので、共有点が 1 つに縮みます。

例:戻る点から接点を出す

の接線が で再び曲線と交わるとき、接点を求めます。

中心は なので から です。

、。接線は になります。

を入れると 。曲線のほうも で一致します。

中心 を出す

の関係で接点か交点を求める

接線の式を書いて確かめる

の における接線が、再び曲線と交わる点の 座標はいくつですか。

__RESULT__

中心は です。 になります。 は中心のずれを忘れて とした値にあたります。

中心で接する場合も確かめます。

の接線のうち、曲線と 1 点しか共有しないものはどれですか。

  • における接線
  • における接線
  • そのような接線はない
__RESULT__

中心は です。接点が中心と一致すると差が 3 重解になり、共有点が 1 か所だけになります。

差が で割り切れる。3 次式なら残る因数は 1 次なので、戻る位置が式の形から決まってしまいます。

参考文献

3.1 Defining the Derivative. Calculus Volume 1, OpenStax.
David Guichard. *2.1: The Slope of a Function*/02:_Instantaneous_Rate_of_Change-_The_Derivative/2.01:_The_Slope_of_a_Function). Calculus, Whitman College.
Chapitre 3 — Dérivation, étude de fonctions. MathSV, Université Claude Bernard Lyon 1.
$y = x^3 - 3x$ の $x = 2$ での接線は $x = -4$ で再び交わります。曲線と接線の差が $a(x-t)^2(x+2t)$ と因数分解できるので、重解のほかに残る解が $-2t$ に決まるためです。中心がずれていれば $3m - 2t$。接点、中心、戻る点は $1 : 2$ に並びます。接点が中心と一致すると差が 3 重解になり、共有点が 1 か所に縮む。戻る点から接点を逆算する例、$x^3 - 3x^2$ で中心が $1$ の場合まで確かめました。