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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Coordinate Geometry Basics
1Introduction
This lecture converts conditions satisfied by a point P(x,y) in the plane into equations and interprets the geometric sets represented by those equations. The correspondence is developed for lines, circles, and distance conditions.
2Loci and equations
The locus of a point is the set of all its positions satisfying a given condition. If a condition on P(x,y) is equivalent to an equation F(x,y)=0, then
P\text{ lies on the locus}\iff F(x,y)=0.
Both directions must be verified: the equation must neither introduce extraneous points nor omit required points.
3Distance between two points
For A(x_1,y_1) and B(x_2,y_2), the Pythagorean theorem gives the distance
AB=\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2}.
This formula converts geometric distance conditions into equations.
4Lines
A nonvertical line whose y-coordinate increases by m whenever its x-coordinate increases by one has equation y=mx+n. Here m is the slope and n is the y-intercept. A vertical line cannot be expressed in this form and instead has equation x=a. The general form covering both cases is
ax+by+c=0\qquad ((a,b)\ne(0,0)).
5Circles
A circle with center C(a,b) and radius r>0 is the locus of points P(x,y) whose distance from C is r. Hence
CP=r\iff \sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}=r.
Both sides are nonnegative, so squaring preserves equivalence and gives
\boxed{(x-a)^2+(y-b)^2=r^2}.
Conversely, every point satisfying this equation has CP=r. Thus the equation represents precisely the entire circle.
6Completing the square
For example, completing the square in
x^2+y^2-2x+4y-4=0
gives
x^2-2x=(x-1)^2-1,\qquad y^2+4y=(y+2)^2-4,
and therefore
(x-1)^2+(y+2)^2=9.
The equation represents the circle with center (1,-2) and radius 3.
7Summary
- To determine a locus, verify the equivalence between the condition on P(x,y) and its equation.
- The general line equation ax+by+c=0 includes vertical lines.
- The standard circle equation is (x-a)^2+(y-b)^2=r^2; completing the square identifies its center and radius.
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