図形と方程式の基本
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1導入
本講義では、平面上の点 P(x,y) が満たす条件を方程式へ変換し、その方程式が表す図形を解釈する。この対応を直線、円、距離条件について説明する。
2軌跡と方程式
ある条件を満たすすべての点からなる集合を、その点の軌跡という。P(x,y) の条件と方程式 F(x,y)=0 が同値であるとき、
P\text{ が軌跡上にある}\iff F(x,y)=0
が成立する。この双方向を確認することにより、方程式が余分な点を含まず、必要な点を欠かないことが保証される。
3二点間の距離
2 点 A(x_1,y_1)、B(x_2,y_2) の距離は、三平方の定理により
AB=\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2}
である。この公式は、幾何学的な距離条件を方程式へ変換する基礎となる。
4直線
x 座標が 1 増加すると y 座標が m 増加する直線は、y=mx+n と表される。m を傾き、n を y 切片という。ただし、鉛直線はこの形では表現できず、x=a と表す。両者を含む一般形は
ax+by+c=0\qquad ((a,b)\ne(0,0))
である。
5円
中心 C(a,b) からの距離が r>0 である点 P(x,y) の軌跡を円という。距離公式から
CP=r\iff \sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}=r
であり、両辺が非負であるため、二乗しても同値性が保存される。したがって、
\boxed{(x-a)^2+(y-b)^2=r^2}
を得る。逆に、この方程式を満たす点では CP=r が成立するため、この方程式は円全体を正確に表す。
6平方完成による標準形
たとえば、
x^2+y^2-2x+4y-4=0
において
x^2-2x=(x-1)^2-1,\qquad y^2+4y=(y+2)^2-4
と平方完成すると、
(x-1)^2+(y+2)^2=9
を得る。したがって、この方程式は中心 (1,-2)、半径 3 の円を表す。
7要約
- 軌跡を求めるには、点 P(x,y) の条件と方程式の同値性を確認する。
- 直線の一般形は ax+by+c=0 であり、鉛直線も含む。
- 円の標準形は (x-a)^2+(y-b)^2=r^2 であり、平方完成により中心と半径を特定できる。
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