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円と放物線の両方に接する直線を探す、共通接線の作り方

と放物線 の両方に接する直線は 4 本あります。そのうち 2 本は

2 つの曲線に同時に接する直線を共通接線といいます。片方の接線を傾きで書き、もう片方に接する条件を課す。これが基本の手です[1]

接線を傾きで書く

曲線ごとに、接線を傾き で表す形が決まっています。

放物線 なら 。楕円 なら [2]

円の場合は、中心から直線までの距離が半径に等しい、という条件で書きます。この形がいちばん扱いやすい。

だから円が絡む問題では、円でないほうの接線を先に書き、距離の条件を後から課すと計算が短くなります。

円と円で試す

まず 2 つの円で確かめます。

接線を とすると、原点からの距離が 。中心 からの距離が

第 1 式を第 2 式に入れると 、つまり

のとき のとき 。あわせて 4 本です。

後者の 1 本は 。原点からの距離が からは で、条件を満たしています。

円と円なら、両方とも距離の条件で書けるので式がそろいます。

片方が放物線や楕円になると、接する条件の形が変わる。書き方をそろえるのが最初の仕事です。

半径 なら、和が 、差が 。中心の距離がこの 2 つをまたぐたびに、本数が変わる。

中心の距離位置関係共通接線
より大離れている4 本
外接3 本
のあいだ2 点で交わる2 本
内接1 本
より小一方が他方を含む0 本

円と放物線

の接線は 、整理して です。

円の中心 からの距離が半径 になる条件を書く。

両辺を 2 乗し、 を掛けて整理すると の 4 次式になります。 と置くと 2 次式です。

の 4 本が出ました。

出た直線を確かめる

なら で、直線は

放物線に代入すると 、つまり で重解。接点は です。

円の中心 から までの距離は 。半径と一致しました。

のほうは 。距離は で、こちらも条件を満たします。

例:放物線どうし

の共通接線を求めます。上に開く放物線と、下に開く放物線。

の接点を とすると、接線は

の接点を とすると、接線は

2 本が一致する条件は、傾きと切片がそれぞれ等しいこと。 から から です。

なので、共通接線は の 2 本。

放物線どうしでは、接線をどちらも傾きと接点で書けるので、連立が軽くなります。

縦の直線を忘れない

の形では、 軸に垂直な直線が書けません。別に調べる必要がある。

放物線 に接する縦の直線は 、頂点での接線です。円の中心からの距離は で、半径 と違う。

だから今回は共通接線になりません。もし円が に接する位置にあれば、5 本目として数えることになります[3]

円と楕円で接する例

をとります。

楕円の短軸の端 は、円の上にもあります。この点で 2 つの曲線が接している。

そこでの接線は 。どちらも共通接線で、合計 2 本。

円が楕円の内側で接するので、外側から挟む接線は引けません。位置関係で本数が決まるところは、円どうしと同じ。

接点を 2 つ置く解き方

別解として、接点を先に置く方法もあります。放物線の接点を 、円の接点を角度で表し、接線が一致する条件を立てる。

未知数が 2 つに増えるので、連立が重くなります。傾き 1 つで済む方法のほうが速い。

ただし接点そのものを問われている問題では、こちらが素直です。何を求めるかで選び分ける。

傾きで解く

未知数は の 1 つ。本数を数えるのに向く

接点で解く

未知数は 2 つ。接点を答える問題に向く

つまずきやすいところ

の 4 次式を で 2 次に落としたあと、 が負の解を捨て忘れると、実在しない接線が出ます。

、つまり も要注意。放物線の接線の式 で使えません。水平な直線は接線になりません[4]

円の距離の条件は 2 乗すると符号が消えます。求めた直線を、必ずもとの式に戻して確かめる。

の共通接線は何本ですか。

  • 2 本
  • 3 本
  • 4 本
__RESULT__

半径の和が 、差が 。中心の距離 は和より大きいので、2 円は離れています。外側 2 本と内側 2 本で 4 本です。

放物線との組み合わせも確かめます。

放物線 の接線を と書いたとき、 について正しいのはどれですか。

  • の場合は別に調べる
  • は正の値しかとれない
  • が決まると接線が 2 本できる
__RESULT__

を入れると が定義できません。水平な直線は に接しないので、この形から外れます。

接線の書き方を曲線ごとにそろえ、あとは条件を 1 つ課す。共通接線の問題は、この 2 段で片づきます。

参考文献

Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
Ellipse. Wolfram MathWorld.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
円 $(x+3)^2+y^2=2$ と放物線 $y^2 = 4x$ の共通接線は 4 本で、うち 2 本が $y = \pm(x+1)$。放物線の接線を $y = mx + p/m$ と書き、中心からの距離が半径に等しいと課すだけで $m$ が決まります。$v = m^2$ と置けば $2$ 次方程式。$2$ 円なら中心の距離が半径の和と差をまたぐたびに 4 本から 0 本まで変わり、放物線どうしなら接点を 2 つ置いて連立します。縦の直線を別に調べる理由も。