座標平面上に 点 , がある。 を満たす点 の軌跡は、楕円
である。 と の値を、この順に組 の形で求めよ。
楕円の方程式と焦点
2 焦点からの距離の和が一定な点の軌跡として楕円を理解し、 の焦点 、長軸・短軸の長さを求められる。焦点と通る点から方程式を決められる
前提
- 条件を満たす点の軌跡 (数学II 図形と方程式)
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- 条件を満たす点の軌跡 (数学II 図形と方程式)
説明
平面上の異なる2定点からの距離の和が一定である点の軌跡を「楕円」といい、その2定点を「焦点」といいます。この技能では、楕円を軌跡として式に表し、方程式 から焦点の座標や長軸・短軸の長さを読み取れるようになります。逆に、焦点と楕円が通る1点がわかれば、楕円の方程式を決められます。
なぜそうしてよいのか
焦点を , 、距離の和を とします。三角形の2辺の和は残りの辺より長いので 、つまり とします。動点を とおくと、条件 は です。 と移項して両辺を2乗すると となり、整理すると です。もう一度2乗して整理すると になります。 なので とおき、両辺を で割ると が得られます。
2乗すると余分な点がまじることがあるので、逆にこの方程式を満たす点が本当に条件を満たすか確かめます。方程式から 、つまり です。すると なので、2回目の2乗の前の式 がもとに戻せて、 となります。さらに より 、つまり です。 と はどちらも0以上なので、1回目の2乗の前の式 にも戻せます。よってこの方程式は軌跡そのものを表し、 より焦点は です。
とすると 、 とすると です。楕円と 軸の2交点を結ぶ線分と、 軸の2交点を結ぶ線分のうち、長い方を長軸、短い方を短軸といいます。 なら長軸の長さは 、短軸の長さは で、焦点は長軸上にあります。点 で距離の和を計算すると なので、距離の和は長軸の長さに等しくなります。焦点を 軸上の にとり、距離の和を とすると、 と の役割を入れかえた同じ計算で 、 となり、焦点は 、長軸の長さは 、短軸の長さは です。なお のときは という円になり、2つの焦点は原点に重なってしまうので、ここでは楕円として扱いません。
手順
方程式を の形に直し、 と の大小を確かめる( なら円であり、楕円ではない)
焦点を求める。 なら として焦点は 軸上の 。 なら として焦点は 軸上の
長軸・短軸の長さを求める。 の大きい方の2倍が長軸の長さ、小さい方の2倍が短軸の長さ
焦点と通る点から方程式を決めるときは、通る点から2焦点までの距離の和を計算する。これが長軸の長さで、焦点が 軸上なら 、 軸上なら とおく
焦点が なら 、焦点が なら で残りを求め、 に代入する
例題
2点 , を焦点とし、点 を通る楕円の方程式を の形で表す。このとき の値を順に求めよ。
例題の解答
手順4:焦点は 軸上にあるので、距離の和を とおきます。点 から焦点 までの距離は 、焦点 までの距離は です。和は なので、 より です。
手順5:焦点が なので です。 で、 より です。よって楕円の方程式は です。
確認(手順1・2): なので焦点は となり、条件と一致します。また を代入すると となり、確かに通ります。
答え:,
答え:
よくある誤り
焦点を としてしまう誤り。正しくは です。たとえば の焦点は です。
長軸の長さを としてしまう誤り。長軸は から までの線分( のとき)なので、長さは です。 では長軸の長さが 、短軸の長さが です。
の分母の方が大きいのに、焦点を 軸上にとってしまう誤り。たとえば は となり、 です。正しい焦点は 軸上の で、長軸の長さは です。
焦点と通る点から方程式を決めるとき、距離の和をそのまま としてしまう誤り。正しくは距離の和は長軸の長さ (焦点が 軸上なら )です。例題では和が なので となり、 ではありません。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
とする。楕円 の焦点が 点 , であり、この楕円は点 を通る。, の値をこの順に求めよ。
2 点 , を焦点とし、点 を通る楕円がある。この楕円の方程式を の形で表すとき、 と の値をこの順に求めよ。
この技能を使う問題
双曲線 と焦点が一致し、点 を通る楕円がある。この楕円の長軸の長さと短軸の長さを、この順に求めよ。
楕円 の 2 つの焦点のうち、 座標が正のものを 、負のものを とする。また、原点を頂点とし を焦点とする放物線を とする。 と の共有点のうち 座標が正であるものを とするとき、線分 の長さを求めよ。
とする。楕円 は、双曲線 と焦点が一致し、さらに点 を通る。このとき、 の値を求め、組 の形で答えよ。
楕円 の 2 つの焦点を , とする。ただし、 の 座標は正とする。
点 , を焦点とし、漸近線が 直線 である双曲線を とする。楕円と双曲線 の交点のうち、第 1 象限にあるものを とするとき、 の値を求めよ。
座標平面上の楕円
の 2 つの焦点のうち、 座標が正であるものを とする。 上の点 は第 象限にあるとし、 における の接線が 2 直線 , と交わる点をそれぞれ , とする。 が の第 象限の部分を動くとき、三角形 の面積の最小値を求めよ。座標平面上に楕円 と直線 がある。点 が 上を動くとき、 から に引いた 本の接線の接点を , とする。三角形 の面積の最小値を求めよ。
座標平面上に、放物線 と楕円 がある。 と の両方に接する直線(共通接線)をすべて考え、各共通接線について との接点と との接点をとる。これらの接点すべてを頂点とする四角形の面積を求めよ。
座標平面上に楕円 と点 がある。点 から に引いた 本の接線と楕円 とで囲まれた部分の面積を求めよ。
楕円 の焦点のうち、 座標が正であるものを とする。 上の 点 が、 のまわりに反時計回りにこの順に並び、 を満たしている。このとき の値を求めよ。
この技能の次に学べること
- 双曲線の方程式と焦点・漸近線 (数学C 平面上の曲線)
- ケプラーの 3 法則 (高校物理 円運動・単振動・万有引力(知識))