【数学Ⅱ】図形と方程式12:円と直線の位置関係

円と直線の位置関係 図形と方程式
さん
さん

今日の板書はこれ!

円と直線の位置関係

■ 円と直線の位置関係の判別

  • [1] 円の中心と直線の距離 \(d\) と、円の半径 \(r\) の大小関係を調べる(点と直線の距離の公式を利用)
  • [2] 円の方程式と直線の方程式を連立し、判別式 \(D\) で実数解の個数を調べる
  • 異なる2点で交わる:\({\color{#45A3DA}{d}}< {\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}>0\)
  • 1点で接する:\({\color{#45A3DA}{d}}={\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}=0\)
  • 共有点なし:\({\color{#45A3DA}{d}}> {\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}<0\)
例題

半径 \(r\) の円 \(x^2+y^2=r^2\) と直線 \(3x+y-10=0\) が接するとき、\(r\) の値を求めよ。


▼ 解答

[1] 円の中心 \((0,\ 0)\) と直線の距離が半径 \(r\) と等しいから

\(\frac{|3\cdot0+0-10|}{\sqrt{3^2+1^2}}=r\) より \({\color{#EE4656}{r=\sqrt{10}}}\)

[2] \(y=-3x+10\) を \(x^2+y^2=r^2\) に代入すると \(10x^2-60x+100-r^2=0\)

判別式を \(D\) とすると \(D=0\) となればよいから

\(\frac{D}{4}=(-30)^2-10(100-r^2)=0\) より \({\color{#EE4656}{r=\sqrt{10}}}\)

生徒
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さん
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円と直線の位置関係は3通り

円と直線の位置関係には、「異なる2点で交わる」「1点で接する」「共有点をもたない」の3通りがあります。

どれになるかを調べる方法は2つあります。

円と直線の3つの位置関係

方法1:中心と直線の距離で調べる

円の中心から直線までの距離 \({\color{#45A3DA}{d}}\) と、半径 \({\color{#E9548E}{r}}\) を比べます。

距離が半径より短ければ、直線は円の内側を通るので2点で交わります。

距離と半径が等しければ接し、距離が半径より長ければ共有点をもちません。

\({\color{#45A3DA}{d}}\) は、点と直線の距離の公式で求められます。

方法2:連立方程式の判別式で調べる

図形どうしの共有点は、2つの方程式を連立したときの実数解にあたります。

そこで、直線の式を円の式に代入して \(x\) の2次方程式をつくり、その判別式 \({\color{#3CB371}{D}}\) の符号で実数解の個数を調べます。

実数解が2個なら2点で交わり、1個(重解)なら接し、0個なら共有点をもちません。

  • 異なる2点で交わる:\({\color{#45A3DA}{d}}< {\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}>0\)
  • 1点で接する:\({\color{#45A3DA}{d}}={\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}=0\)
  • 共有点なし:\({\color{#45A3DA}{d}}> {\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}<0\)
さん
さん

方法1は図形的、方法2は計算的な見方だよ。どちらでも同じ結論になるんだ!

円と直線が接するときの半径を求める

例題

半径 \(r\) の円 \(x^2+y^2=r^2\) と直線 \(3x+y-10=0\) が接するとき、\(r\) の値を求めよ。

まず方法1で解きます。

円の中心は原点 \((0,\ 0)\) です。

接するのは、中心と直線の距離が半径と等しいときです。

\(\frac{|3\cdot0+0-10|}{\sqrt{3^2+1^2}}={\color{#E9548E}{r}}\) より \({\color{#EE4656}{r=\sqrt{10}}}\)

次に方法2で解きます。

直線の式を \(y=-3x+10\) と変形し、円の式に代入します。

\(x^2+(-3x+10)^2=r^2\) より \(10x^2-60x+100-r^2=0\)

接するのは、この2次方程式が重解をもつとき、つまり判別式が \(0\) になるときです。

\(r>0\) に注意して解きます。

\(\frac{{\color{#3CB371}{D}}}{4}=(-30)^2-10(100-r^2)=0\) より \(r^2=10\) よって \({\color{#EE4656}{r=\sqrt{10}}}\)

円に接する直線
生徒
生徒

どっちの方法でも同じ答えになった!

練習問題

練習1

次の円と直線の共有点の座標を求めよ。

(1) \(x^2+y^2=25,\ y=x+1\)

(2) \(x^2+y^2=8,\ x+y=4\)

答えを見る

(1) \(x^2+(x+1)^2=25\) より \(x^2+x-12=0\) よって \(x=3,\ -4\)

\({\color{#EE4656}{(3,\ 4),\ (-4,\ -3)}}\)

(2) \(y=4-x\) を代入すると \(x^2+(4-x)^2=8\) より \((x-2)^2=0\) よって \(x=2\)

\({\color{#EE4656}{(2,\ 2)}}\)

練習2

円 \(x^2+y^2=5\) と直線 \(y=2x+m\) について、次の問いに答えよ。

(1) 円と直線が共有点をもつとき、定数 \(m\) の値の範囲を求めよ。

(2) 円と直線が接するとき、定数 \(m\) の値と接点の座標を求めよ。

答えを見る

\(y=2x+m\) を代入すると \(5x^2+4mx+m^2-5=0\) …①

\(\frac{D}{4}=(2m)^2-5(m^2-5)=-m^2+25\)

(1) \(D\geq0\) より \(m^2\leq25\) よって \({\color{#EE4656}{-5\leq m\leq5}}\)

(2) \(D=0\) より \(m=\pm5\) このとき①の重解は \(x=-\frac{2m}{5}\)

\({\color{#EE4656}{m=5}}\) のとき接点 \({\color{#EE4656}{(-2,\ 1)}}\)、\({\color{#EE4656}{m=-5}}\) のとき接点 \({\color{#EE4656}{(2,\ -1)}}\)

練習3

半径 \(r\) の円 \(x^2+y^2=r^2\) と直線 \(x+2y-5=0\) について、次の問いに答えよ。

(1) 円と直線が接するとき、\(r\) の値を求めよ。

(2) 円と直線が共有点をもたないとき、\(r\) の値の範囲を求めよ。

答えを見る

中心 \((0,\ 0)\) と直線の距離は \(\frac{|-5|}{\sqrt{1^2+2^2}}=\sqrt{5}\)

(1) 距離と半径が等しいから \({\color{#EE4656}{r=\sqrt{5}}}\)

(2) 距離が半径より大きいから \({\color{#EE4656}{0< r<\sqrt{5}}}\)

まとめ:円と直線の位置関係

さん
さん

さて、今回のまとめだよ!

円と直線の位置関係

■ 円と直線の位置関係の判別

  • [1] 円の中心と直線の距離 \(d\) と、円の半径 \(r\) の大小関係を調べる(点と直線の距離の公式を利用)
  • [2] 円の方程式と直線の方程式を連立し、判別式 \(D\) で実数解の個数を調べる
  • 異なる2点で交わる:\({\color{#45A3DA}{d}}< {\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}>0\)
  • 1点で接する:\({\color{#45A3DA}{d}}={\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}=0\)
  • 共有点なし:\({\color{#45A3DA}{d}}> {\color{#E9548E}{r}}\)、\({\color{#3CB371}{D}}<0\)
生徒
生徒

また一つ賢くなった!

さん
さん

一人だと続かない人は、こんな方法もあるよ!

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