・ 放物線の交点                    S.H氏

 2つの放物線 y=−x2+x+1 、x=y2+y−1 の交点を求めることは大変そう..カナ

実際に、 2式を辺々加えて、 x+y=−x2+y2+x+y より、 x+y=0 、 x−y=0

  x+y=0 のとき、 y=−x を y=−x2+x+1 に代入して、 x2−2x−1=0

    よって、 x=1±

  したがって、 ( x , y )=( 1+ , −1− ) 、( 1− , −1+

  x−y=0 のとき、 y=x を y=−x2+x+1 に代入して、 x2=1 より、 x=±1

  したがって、 ( x , y )=( 1 , 1 ) 、( −1 , −1 )


 もっとも上記のような計算をしなくても、交点がどのように分布しているかはグラフにより
視覚的に捉えることができる。

          

 さらに、上の「4交点が、実は同一円周上に分布している」ということを聞くと、驚かれる
方がおられるかもしれない。

          

 上の円の方程式は、次のようにして得られる。

 2つの放物線の方程式 y=−x2+x+1 、x=y2+y−1 より、

    x2−x+y−1=0

    y2−x+y−1=0

 これらを辺々加えて、 x2+y2−2x+2y−2=0 となる。

  すなわち、 (x−1)2+(y+1)2=4 より、 中心(1,−1)で半径2の円

である。

 さらに、この4点を通る図形は、もちろん一意に定まることはなく、自由自在に作ることが
できる。


   左図は、4点を通る楕円である。

  方程式は、

   2x2+y2−3x+3y−3=0 である。

  この方程式は、

    x2−x+y−1=0 の両辺を2倍し、

    y2−x+y−1=0 に辺々加えること

  により得られる。








 同様にして、 x2−x+y−1=0 、y2−x+y−1=0 を適宜加減すれば、下図のような、
4点を通る双曲線も得られる。


    左図の方程式は、

     2x2−y2−x+y−1=0

   である。











(追記) 平成26年3月2日付け

 上記で、放物線 y=−x2+x+1 と円 x2+y2−2x+2y−2=0 は4点で交わり、その交
点は、

A( 1+ ,−1− ) 、B( 1− ,−1+ ) 、C( 1 ,1 ) 、D( −1 ,−1 )

である。このとき、

 直線ABの傾きは、−1で、直線CDの傾きは、1 なので、

 円と放物線の4交点をA、B、C、Dとするとき、(直線ABの傾き)+(直線CDの傾き)=0

という関係が成り立ちそうだ。この予想は正しく、次のようにして確かめられる。

(証明) 回転移動と平行移動を施すことにより、

    円の方程式 : x2+y2=r2  放物線の方程式 : y=ax2+bx+c

としても一般性は失われない。代入して整理すると、

  a24+2abx3+(b2+2ca+1)x2+2bcx+c2−r2=0

 4つの交点のx座標をα、β、γ、δとすると、解と係数の関係より、

  α+β+γ+δ=−2b/a

 このとき、 (直線ABの傾き)+(直線CDの傾き)

      =a(α+β)+b+a(γ+δ)+b=a(α+β+γ+δ)+2b=0  (証終)


(コメント) この定理は、らすかるさんよりご教示頂きました。美しい関係ですね!
      らすかるさんに感謝します。


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