要約
この課は、平面の解析幾何についての単元の入り口である。導入テストを用意し、単元の九つの課と、それらを結ぶ糸を、座標と直線の方程式から円錐曲線と線形計画法まで紹介する。これらの考えの歴史を、ギリシア幾何の円錐曲線から、フェルマーとデカルトの座標幾何、そしてその天文学・力学・経済学への応用までたどる。それらを生んだ問題、すなわち幾何学的な性質を方程式に、方程式を曲線に変えるという問題を、立方体倍積の例とともに定式化し、それらがこのコース、サイトのほかのコース、そして科学と技術のどこで再び使われるかを示す。
学習目標
- 単元の内容の順序を述べ、各課があとの課に何をもたらすかを説明する。
- 円錐曲線の研究、座標幾何の誕生、線形計画法を、主な人物とともに歴史的な文脈のなかに位置づける。
- 立方体倍積問題のような古典的な幾何の問題を座標の間の連立方程式に翻訳し、その解を曲線の交点として解釈する。
- コースのほかの主題やほかの分野のなかに、この単元が構築する道具を見いだす。
導入テスト
単元に取りかかる前に、出発点を測っておくとよい。このテストは自分で確かめるためのもので、採点はされない。どこで立ち止まるべきかを知るためのものである。最初の九問は、単元の九つの内容の課を一つずつ順に扱う。第十問は資源の配分の問題を立てて解くことを求め、これら十の技能は、最後のまとめの課で改めて測る。最後の三問は、この単元が前の単元から既知とするもの、すなわち平方完成、符号表、絶対値を確かめる。
単元を始める前に、自分の出発点を測りましょう。短い自己評価です。採点はされず、結果はあなたのブラウザーにだけ保存されます。
問 1点 を通り、直線 に垂直な直線の方程式はどれか。
与えられた直線に平行で を通る直線である。傾き をそのまま使い、積が となる傾きをとっていない。傾きは である。傾きの符号を変えずに逆数をとったため、傾きの積は となり、 にならない。傾きは正しいが、与えられた直線の定数項をそのまま残している。点 はこの方程式を満たさない。実際、 である。与えられた直線の傾きは であり、それに垂直な直線の傾きは である。傾きの積は でなければならないからである。点と傾きによる直線の方程式から 、すなわち を得る。復習: 直線の方程式と直交座標系
問 2点 と直線 の距離を求めよ。
問 3焦点 、準線 の放物線の方程式はどれか。
の役割を取り違えている。係数として焦点と準線の距離()をとっているが、正しくは焦点と頂点の距離の四倍であり、焦点と頂点の距離はその距離の半分である。水平な軸をもつ放物線である。準線が水平なので軸は鉛直であり、平方で現れる変数は である。下に開いているが、焦点は準線より上にあるので、放物線は上に開く。点 が焦点と準線から等距離にあるのは のときであり、これは に整理される。これは の形で、焦点距離は である。復習: 放物線の方程式:定義と性質
問 4放物線 の頂点はどれか。
負の符号をつけずに としている。横座標が の点は曲線上にあるが、頂点ではない。と計算しており、分母の因数 が抜けている。 は軸に関して と対称な点であり、頂点ではない。横座標は正しいが、頂点の縦座標は における多項式の値であり、定数項ではない。平方完成により 。また、、 からも求まる。復習: 放物線の特徴づけとグラフ
問 5楕円 の二つの焦点の間の距離はいくらか。
正しい答え:
で割ると となり、、 である。 より であり、焦点 の間の距離は である。 を得た人は中心と焦点の距離を答えており、 を使った人は双曲線の関係式を当てはめている。復習: 楕円と円の方程式
問 6円 と円 の共有点はいくつか。
中心間の距離が と の間に厳密に入っていれば、2 点で交わる。ここでは和に等しく、境目の場合である。中心間の距離が半径の和を超えていれば、離れている。ここではそれに等しく、二つの円は接する。内接するには、中心間の距離が半径の差 に等しくなければならず、和ではない。半径は と で、中心間の距離は であり、半径の和に等しい。二つの円はただ一点で接し、それぞれが他方の外部にある。復習: 円:接線・位置関係・方べき
問 7双曲線 の漸近線はどれか。
商を逆にしている。漸近線の傾きは 、すなわち に対応する半軸を に対応する半軸で割ったものである。半軸の代わりに、半軸の平方である分母を使っている。これは離心率 で、 である。漸近線の傾きではない。、 であるから、漸近線は である。すなわち、左辺をゼロとおいて得られる直線、 である。復習: 双曲線の方程式とその導出
問 8方程式 は何を表すか。
の符号は種類を示すが、右辺を見るには平方完成が必要である。右辺がゼロならば、曲線は二直線に退化する。と の係数は符号が逆なので、楕円ではありえない。一点になるのは で右辺がゼロのときである。 のときは、ゼロに等しい平方の差は二直線を与える。平方完成により 。 であり右辺がゼロなので、双曲線の退化した場合、すなわち二直線の組 である。問 9 の最大値を、、、、 で定められる領域において求めよ。
正しい答え:
領域の頂点は 、、、 であり、そこでの の値は 、、、 である。頂点の定理により、最大値は で、 においてとる。 を得た人は二本の斜めの直線の交点だけを調べている。その交点がいつも最適な頂点とは限らない。復習: 平面上の不等式と線形計画法
問 10ある縫製工房はシャツとズボンを作っている。シャツ一枚には裁断に 時間、縫製に 時間かかり、ズボン一本には裁断に 時間、縫製に 時間かかる。毎日、裁断に 時間、縫製に 時間を使うことができ、シャツ一枚で 貨幣単位、ズボン一本で 貨幣単位の利益を得る。一日の利益の最大値はいくらか。
正しい答え:
シャツを 枚、ズボンを 本作るとすると、制約条件は 、、、 であり、利益は である。頂点は 、、、 で、利益は 、、、 である。最大値は で、シャツ 枚とズボン 本のときである。 または を得た人は軸との交点だけを調べており、裁断の時間と縫製の時間が同時に使い切られる頂点を見落としている。復習: 平面上の不等式と線形計画法
問 11前の単元から式 が、 が実数全体を動くときにとる最小値はいくらか。
正しい答え:
平方完成により であり、平方は負にならないので、最小値は で、 のときにとる。 を得た人は での値をとっており、 を得た人は と書いて、 を、平方完成で残る項 に掛けるのを忘れている。問 12前の単元から の解の集合はどれか。
多項式が正になる集合である。根の外側では二つの因数は同じ符号をもつ。の根は と である。符号を逆にしてとっている。多項式は と因数分解される。符号表により、積が負になるのは因数の符号が異なるとき、すなわち二つの根の間である。復習: 符号表と不等式
問 13前の単元から の解の集合はどれか。
だけを解いており、絶対値は下からも抑える、すなわち であることを忘れている。の解の集合である。 と の距離が を超えないのは、二つの端点の間であって、その外側ではない。この不等式は 、すなわち と同値であり、ここから 。復習: 実数直線:順序・区間・絶対値
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