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媒介変数表示の例をたどる|高校数学の二次曲線と有名な曲線

曲線上の点の座標を、 と の関係式ではなく、 つの変数の式で書く方法があります。

この を媒介変数といいます。 を動かすと点が動き、その軌跡が曲線になる。時刻を入れると点の位置が返ってくる装置、と考えると分かりやすい。

を から まで進めると、点が楕円を一周します。曲線が「ある」のではなく、点が「動いて」できる。媒介変数表示はこの見方に立った書き方です。

直線

点 を通り、方向が の直線です。

が 増えるごとに だけ進みます。 を消すには を代入する。

点 を通り方向 なら , 。 を入れて 、整理して です。

円

半径 の円は、角度を媒介変数にとります。

から 。中心が なら , とずらします。

の範囲を に切ると上半分だけ、 なら右半分。範囲を指定できるのが媒介変数の便利なところです。

楕円

円の と に別々の係数を掛けます。

, を に入れて が出ます。

, なら です。

双曲線

と の代わりに と を使います。

を使うと 。

の符号で右側と左側の枝が分かれます。 なら右の枝、 なら左の枝です。

放物線

は を媒介変数にとると簡単になります。

代入すると で確かめられます。 が実数全体を動けば、放物線全体を覆う。

なら なので , です。

サイクロイド

円が直線の上をすべらずに転がるとき、円周上の 点が描く曲線です。

は円の回転角。 で原点にあり、 で 回転して の位置に戻ります。

と の関係式に直すことはできますが、非常に複雑になります。媒介変数のほうが素直に書ける典型例です。

アステロイド

半径 の円の内側を、半径 の円が転がるときの軌跡です。

などを代入すると 。 つのとがった角を持つ形になります。

リサージュ曲線

と の周期を変えて組み合わせると、閉じた模様が現れます。

と の比で形が決まる。 が簡単な整数比なら閉じた曲線になり、無理数比なら閉じません。

媒介変数を消す 3 つの手

問題では「 を消去して と の式にせよ」と問われることがあります。使う手はだいたい つです。

片方を について解き、もう片方に代入する。多項式のときに有効。
に当てはめる。三角関数のとき。
式を足す、引く、掛けるなどして を打ち消す。

, なら 番目です。 が出ます。

, から と見ても同じ。双曲線でした。

範囲に気をつける

を消すと範囲の情報が落ちます。, から を消すと ですが、 が 以上に制限されていれば の半分だけです。

なら 。 を消した式だけを見ると、この範囲が見えなくなります。

消去したあとに「 と のとりうる範囲」を書き添える。答案ではここが採点の分かれ目になります。

曲線を x と y の関係式ではなく、1 つの変数 t の式で書く方法です。直線、円、楕円、双曲線、放物線の書き方を順に並べ、サイクロイド、アステロイド、リサージュ曲線まで動かして見せます。t を消すときの 3 つの手と、消した式からは範囲の情報が落ちてしまう点まで扱いました。