技能一覧 › 数学C 平面上の曲線

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

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算数中学高校大学大学院

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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

  1. 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)

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

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

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