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y = x で折り返すと縦横が入れかわる|二次曲線の対称移動

を直線 で折り返すと、 になります。

横長だった楕円が縦長に変わる。 と を入れかえるだけの操作ですが、曲線の見た目は大きく変わります。

4 つの対称移動

対称移動は、式の中の文字を置きかえるだけで書けます。

どこで折り返すか置きかえ点の移り先
軸 を に
軸 を に
原点両方の符号を変える
直線 と を入れかえる

置きかえた式が、移した先の曲線の式。もとの式に を入れて成り立つなら、置きかえた式には移り先の座標が入るからです。

標準形はもともと対称

には と しか出てきません。

を にしても を にしても、式は変わらない。だから 軸・ 軸・原点のどれで折り返しても、自分自身に重なります[1]。

双曲線 も同じ。中心を持つ曲線は、この 3 つの対称性を持ちます。

乗しか出てこない式が符号の変更に強いのは、 だからです。

次の項が入ると崩れます。 は 軸で折り返すと別の円になる。

だけは形を変える

と を入れかえると、 と の位置が入れかわります。 なら別の曲線になる。

の焦点は 。折り返した先の焦点は になります。

焦点の座標も、入れかえの規則どおりに移りました。長軸が横から縦へ向きを変えたことに対応しています。

双曲線は開く向きが変わる

を で折り返すと 。

左右に開いていた双曲線が、上下に開く形になります。漸近線は から へ。

傾きが逆数になりました。 に関する対称移動では、直線の傾きが逆数に移ります。

は自分自身に移る

で と を入れかえると 。同じ式です。

この双曲線は について対称。 が対称軸の 1 本になっている、ということです。

軸で折り返すと 、つまり 。こちらは第 2 象限と第 4 象限にいる別の双曲線になります[2]。

放物線と逆関数

を で折り返すと 。 の部分に限れば です。

と のグラフが について対称、という話とぴったり重なります。

なら折り返して 、つまり 。右に開く放物線が上に開く放物線になりました。

一般の直線で折り返す

以外の直線に関する対称移動は、2 つの条件で求めます。中点がその直線の上にあることと、結んだ線分が直線と垂直なこと。

例として、直線 に関する の対称点を出します。移り先を とする。

中点 が の上にあるので 。

垂直の条件は 、整理して 。

2 つを連立すると 、。対称点は です。中点 は の上にあり、傾きも で合う。

2 回折り返すと回転になる

軸で折り返してから 軸で折り返すと、 が へ移ります。原点対称、つまり の回転です。

で折り返してから 軸で折り返すと、 が 。これは 回した形になります。

裏返しを 2 回すると表に戻る。対称移動を 2 つ重ねると、必ず回転か平行移動になります[3]。

平行移動と回転

向きを保ったまま動かす。重ねると同じ仲間のまま

対称移動

裏返す。2 回重ねると回転に変わる

中心があるかないか

楕円と双曲線は原点対称です。中心のまわりで 回すと自分に重なる。

放物線 で と の符号を両方変えると になり、左に開く別の放物線です。

原点対称でないので、放物線には中心がありません。対称性の違いが、中心の有無にそのまま出ています[4]。

つまずきやすいところ

に関する対称移動で、 を と書き替えるとき、定義域と値域も入れかわります。

軸に関する対称移動を「 の符号を変える」と覚えるところで、 を 、つまり とする手順を飛ばしやすい。

図で確かめると確実。折り返す直線の上にある点は動かない、という性質でも検算できます。

を直線 で折り返した曲線はどれですか。

__RESULT__

と を入れかえるので、 の位置に が来ます。上下に開く双曲線になりました。

対称性のほうも確かめます。

が自分自身に重なる対称移動はどれですか。

  • 軸で折り返す
  • 直線 で折り返す
  • 軸で折り返す
__RESULT__

入れかえても で同じ式です。 軸なら になり、別の双曲線に移ります。

置きかえるだけで曲線が動く。対称移動は、式の対称性をそのまま図形の対称性として読む操作です。

出典

The Ellipse. Precalculus 2e, OpenStax.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
The Hyperbola. Precalculus 2e, OpenStax.
$x^2/9 + y^2/4 = 1$ を $y = x$ で折り返すと $x^2/4 + y^2/9 = 1$。焦点も $(\pm\sqrt5, 0)$ から $(0, \pm\sqrt5)$ へ移ります。標準形は $2$ 乗しか出てこないので、$x$ 軸でも $y$ 軸でも原点でも自分自身に重なる。形が変わるのは $y = x$ のときだけです。$xy = 1$ が $y = x$ 対称になる理由、$y = x^2$ と $y = \sqrt{x}$ が逆関数として向かい合う話、対称移動を 2 回重ねると回転になる話まで。