質問<3699>
「「図形,放物線の軌跡」」
日付 2008/3/29
質問者 ごんき


放物線(x-y\()^{2}\)-(x+y)+1=0の直交する二接線の交点の軌跡を求めよ。
どうしてもとけません。よろしければご指導お願いします。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2008/4/27
回答者 平 昭


 こんにちは。うまい一般論があるのかどうかわかりませんが、グラフを描いてみると、
方針がみえてきました。
 題意の方程式が「放物線」と書いてあるのが大事なヒントです。以下、解答です。

 題意の方程式を(x+y)=(x-y\()^{2}\)+1 と書き直し、グラフを描いて考える。
 方程式: x-y=k (kは任意の実数)で表される直線群を考えると、
この式で表される直線はすべて互いに平行である。
 同様に、方程式: x+y=k (kは任意の実数)で表される直線群を考えると、
この式で表される直線もすべて互いに平行である。
 そして直線:x+y=kと 直線:x-y=kは直交する。
 そこで、直線群{kは任意の実数|直線:x+y=k}
と直線群{kは任意の実数|直線:x-y=k}は、
直線x-y=0と直線x+y=0を二つの軸として、直交座標系をなすとみなせる。
 さらに、直線:x+y=kと直線 x+y=k+1の距離、及び
直線:x-y=kと 直線 x-y=k+1の距離がいずれも\(\sqrt{\quad}\)\(\frac{2}{1}\)であることを考え合わせれば、


 式(x+y)=(x-y\()^{2}\)+1が表す放物線とはつまり、
放物線:y=\(x^{2}\)+1を時計回りに45度回転し、全体を\(\sqrt{\quad}\)\(\frac{2}{1}\)に縮小したものである。
(ここまで細かく言わなくとも、実際にグラフを描けばすぐ分かりますが。(^_^;))

 だから「放物線C:y=\(x^{2}\)+1の直交する二接線の交点の軌跡」をまず求め、
結果を時計回りに45度回転して\(\sqrt{\quad}\)\(\frac{2}{1}\)に縮小すれば、求める答えが得られる。

(どうも、こうやって工夫すると計算が楽なようです。)

 さて、C上の点(a,\(a^{2}\)+1)における接線の方程式は
y=2ax-\(a^{2}\)+1 である。
ここで、a=0の場合には、接線は直線:y=1で、
これと直交する接線は明らかに存在しない。

 そこで、aが0でない時を考えると、
これと直交する接線は、傾きが-\(\frac{1}{2}\)aであるから、

接点は(-\(\frac{1}{4}\)a,1+(\(\frac{1}{16}\)\(a^{2}\)))となり、
求める接線の方程式は 
y=(-\(\frac{1}{2}\)a)x-(\(\frac{1}{16}\)\(a^{2}\))+1 である。

ここで、両辺を4\(a^{2}\)倍して
(4\(a^{2}\))y=-2ax-(\(\frac{1}{4}\))+4\(a^{2}\)
最初の接線の方程式と辺々足せば
(1+4\(a^{2}\))y=(\(\frac{3}{4}\))+(3\(a^{2}\))=\(\frac{3}{4}\){1+4\(a^{2}\)}が得られる。

以下、計算すれば結局、
2接線の交点は、点((\(\frac{a}{2}\))-\(\frac{1}{8}\)a,\(\frac{3}{4}\))となる。

ここで、f(a)=(\(\frac{a}{2}\))-\(\frac{1}{8}\)aと置くと
fはa>0(とa<0)で連続であり、
a→+0の時f(a)→負の無限大、a→無限大の時f(a)→無限大
であるから、f(a)は任意の実数値をとる。

よって、交点の軌跡は、直線y=\(\frac{3}{4}\) である。

これを時計回りに45度回転し、\(\sqrt{\quad}\)\(\frac{2}{1}\)に縮小することにより、
求める軌跡は、

 直線:x+y=\(\frac{3}{4}\) である。