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4 点か 2 点か 0 点か - 円と二次曲線の共有点の個数

円 と楕円 の共有点は、 の値で 個にも 個にも 個にもなります。

直線との共有点なら 個までですが、曲線どうしだと 個まで増える。数えるときは、 乗の値が正かどうかを見ます。

連立して 2 乗にそろえる

楕円の式から として、円の式に代入します。

でまとめると 。整理して次の形になります。

のほうは から出しました。どちらも だけの式です。

以上という条件が効く

から 、 から 。両方いるので 。

この範囲の外では、実数の解がありません。共有点は 個です。

範囲の中では、 が の 2 通り、 も の 2 通り。組み合わせて 個になります。

端では片方が になります。 なら で、点は の 2 個。 なら で の 2 個です。

共有点の個数が決まるのは、 と がどちらも 以上になるかを見るところです。

乗の値が正なら符号 2 通り、 なら 1 通り、負なら解なし。掛け合わせた数が個数になります。

図で言いかえる

のとき、円は楕円の内側にすっぽり入っています。触れるところがない。

で短軸の端に届き、内側から接する。 では円が楕円の外へはみ出す部分ができ、 点で交わります。

では長軸の端に届いて、今度は外側から接する形。 では円が楕円を完全に囲みます。

半径 位置関係共有点
円が楕円の内側 個
短軸の端で接する 個
たがいにはみ出す 個
長軸の端で接する 個
円が楕円を囲む 個

境目はいつも と

一般の楕円 ()で同じ計算をします。

乗が 以上になる条件は 。境目は短半径と長半径そのものです。

図で考えれば当たり前のこと。円が楕円に内側から触れるのは短軸の端、外側から触れるのは長軸の端しかありません。

例:、 で数える

と円をとります。境目は と 。

を入れてみます。 で、 の範囲の中。

、。どちらも正なので 個です。

交点は 。円に代入すると で合っています。

円と放物線では奇数も出る

放物線 と、円 を考えます。 を代入する。

の 2 次方程式になりました。ここで という条件が付きます。

の解 1 つにつき で 2 点。 の解なら原点の 1 点だけです。

だから共有点が奇数個になることがある。楕円や双曲線では起こらない、放物線ならではの形です。

例:3 点で交わる円

、 とします。円は で、原点を通る。

代入すると で と 。

からは原点の 1 点。 からは の 2 点。合わせて 3 点です。

を にすると で判別式が 。実数解がなく、共有点は 個になります。

円と双曲線には上限がない

双曲線 と円 で同じ計算をします。

を代入して整理すると 。

のほうは で、 がどんな値でも正です。条件が付くのは の側だけ。

で 個、 で頂点 の 個、 ならいつでも 個。双曲線は無限に伸びるので、大きな円とも必ず交わります[2]。

楕円との組み合わせ

に上と下の境目がある。大きすぎても交わらない

双曲線との組み合わせ

下の境目だけ。 を大きくすれば必ず 点で交わる

手順のまとめ

やることは 4 つです。一方の式から か を消し、残った文字の 乗について解く。

そのあと 以上という条件を課し、最後に符号の組み合わせで点の個数を数えます。

判別式だけを見て終わりにすると、 乗が負になる場合を拾ってしまう。範囲の確認が必ず要ります[1]。

つまずきやすいところ

と の両方に条件を出すのを忘れると、片側だけの範囲で答えてしまいます。今回なら だけ見て を落とす形です。

放物線では の条件を落としやすい。負の解を数えると、点の数が多く出ます。

次方程式の解の個数と共有点の個数は別ものです。解 1 つから点が 2 つ出るので、途中で読みかえる必要があります[3]。

と の共有点は何個ですか。

  • 個
  • 個
  • 個
__RESULT__

なので範囲の中です。、 でどちらも正になり、 個です。

放物線の側も確かめます。

放物線 と円が共有点を 個持つのは、どんなときですか。

  • についての解の 1 つが になるとき
  • についての解が つあるとき
  • 判別式が になるとき
__RESULT__

からは原点の 1 点だけが出るので、合計が奇数になります。 の 次方程式の解は多くても つです。

乗の値を出し、 以上かどうかを見て、符号の組み合わせを数える。曲線どうしの共有点は、この順で数えればとりこぼしません[4]。

参考

The Ellipse. Precalculus 2e, OpenStax.
The Hyperbola. Precalculus 2e, OpenStax.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
円 $x^2+y^2=r^2$ と楕円 $x^2/9 + y^2/4 = 1$ の共有点は、$r$ で $0$ 個にも $2$ 個にも $4$ 個にもなります。連立して $x^2$ と $y^2$ を $r$ だけの式にし、どちらも $0$ 以上になる範囲を見るだけ。境目はいつも短半径と長半径そのものです。放物線が相手なら $y = x^2 \geq 0$ が効いて $3$ 個という奇数も出る。双曲線が相手だと上限がなく、大きな円とは必ず $4$ 点で交わります。