2本の半直線上に端点がある線分と軌跡

端点が半直線上にある動く線分の軌跡の例題です。

 

(例題)
原点を\(O\)とする座標平面において、\(x\)軸の正の方向と角度\(\displaystyle\frac{π}{6}\)をなす2本の半直線\(OA,OB\)を考える。半直線\(OA,OB\)はそれぞれ第1象限、第4象限にあるとする。長さ\(1\)の線分\(PQ\)の両端\(P\)および\(Q\)がそれぞれ\(OA,OB\)上を動くとき(ただし\(O\)は除く)

(1)\(α=\angle OPQ\) とするとき、線分\(OP,OQ\)の長さを\(α\)を用いて表せ。
(2)線分\(PQ\)の中点\(M\)の軌跡の方程式を求めよ。

 

(解答)
(1)

角が全て分かっていて、1線分の長さが分かっているので、正弦定理でよいでしょう。

半直線 線分 例題1-1

\(\angle OQP=π-(α+\displaystyle\frac{π}{6}\cdot2)\)
\(=\displaystyle\frac{2}{3}π-α\)

\(α>0\)、\(\displaystyle\frac{2}{3}π-α>0\) より
\(0<α<\displaystyle\frac{2}{3}π\)

よって正弦定理から
\(\displaystyle\frac{OP}{\sin(\displaystyle\frac{2}{3}π-α)}=\displaystyle\frac{1}{\sin\displaystyle\frac{π}{3}}\)

\(OP=\displaystyle\frac{2}{\sqrt{3}}\sin(\displaystyle\frac{2}{3}π-α)\)

\(\displaystyle\frac{OQ}{\sinα}=\displaystyle\frac{1}{\sin\displaystyle\frac{π}{3}}\)

\(OQ=\displaystyle\frac{2}{\sqrt{3}}\sinα\)

 

(2)

中点の座標は(1)の結果から\(α\)を用いて表すことが可能です。よって後は媒介変数表示の曲線の概形の問題になります。\(\sin^2+\cos^2=1\) を利用すると\(α\)が簡単に消去でき、曲線の存在する範囲は、\(0<α<\displaystyle\frac{2}{3}π\) より調べます。

半直線 線分 例題1-2

(1)より\(P,Q\)の座標は
\(P\left(OP\cos\displaystyle\frac{π}{6},\ OP\sin\displaystyle\frac{π}{6}\right)\)

\(=(\sin(\displaystyle\frac{2}{3}π-α),\ \displaystyle\frac{1}{\sqrt{3}}\sin(\displaystyle\frac{2}{3}π-α))\)

\(Q\left(OQ\cos(-\displaystyle\frac{π}{6}),\ OQ\sin(-\displaystyle\frac{π}{6})\right)\)

\(=(\sinα,\ -\displaystyle\frac{1}{\sqrt{3}}\sinα )\)

よって\(PQ\)の中点を\(M(x,y)\)とすると
(和積を利用して)
\(x=\displaystyle\frac{1}{2}\left(\sin(\displaystyle\frac{2}{3}π-α)+\sinα\right)\)
\(=\sin\displaystyle\frac{π}{3}\cos(\displaystyle\frac{π}{3}-α)\)
\(x=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\cos(\displaystyle\frac{π}{3}-α)\)・・・①

\(y=\displaystyle\frac{1}{2\sqrt{3}}\left(\sin(\displaystyle\frac{2}{3}π-α)-\sinα\right)\)
\(=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{3}}\cos\displaystyle\frac{π}{3}\sin(\displaystyle\frac{π}{3}-α)\)
\(y=\displaystyle\frac{1}{2\sqrt{3}}\sin(\displaystyle\frac{π}{3}-α)\)・・・②

①②より
\(\cos(\displaystyle\frac{π}{3}-α)=\displaystyle\frac{2}{\sqrt{3}}x\)、\(\sin(\displaystyle\frac{π}{3}-α)=2\sqrt{3}y\) だから

\(\displaystyle\frac{4}{3}x^2+12y^2=1\)

また \(0<α<\displaystyle\frac{2}{3}π\) より \(-\displaystyle\frac{π}{3}<\displaystyle\frac{π}{3}-α<\displaystyle\frac{π}{3}\) であるから①②より
\(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{4}<x≦\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\)、\(-\displaystyle\frac{1}{4}<y<\displaystyle\frac{1}{4}\)

したがって求める軌跡は
楕円 \(\displaystyle\frac{4}{3}x^2+12y^2=1\) (\(x>\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{4}\))

半直線 線分 例題1-3

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見て頂きありがとうございました。
next→円錐と2次曲線 back→投影と2次曲線

タイトルとURLをコピーしました