【数学Ⅱ】図形と方程式10:円の方程式

円の方程式 図形と方程式
さん
さん

今日の板書はこれ!

円の方程式

■ [1] 中心 \((a,\ b)\)、半径 \(r\) の円の方程式(基本形)
\((x-a)^2+(y-b)^2=r^2\)

■ 特に、原点中心、半径 r の円の方程式
\(x^2+y^2=r^2\)

■ [2] 円の方程式(一般形)
\(x^2+y^2+lx+my+n=0\)

例題1

点 \((5,\ -3)\) を中心とする半径 \(4\) の円の方程式を求めよ。


▼ 解答

\({\color{#EE4656}{(x-5)^2+(y+3)^2=16}}\)

例題2

方程式 \(x^2+y^2-6x+2y-6=0\) が表す図形を求めよ。


▼ 解答

\((x^2-6x)+(y^2+2y)-6=0\) より

\((x-3)^2-9+(y+1)^2-1-6=0\)

よって \((x-3)^2+(y+1)^2=4^2\)

これは、点 \((3,\ -1)\) を中心とする半径 \(4\) の円を表す。

生徒
生徒

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現役教員として数学を教えている「さん」と申します。

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さん
さん

勉強してるのに点が取れない人は、こっちも読んでみて!

円の方程式(基本形)

円とは、1点からの距離が等しい点の集合です。

この「1点」が中心、「等しい距離」が半径です。

円の方程式と中心・半径

中心を \({\color{#45A3DA}{(a,\ b)}}\)、半径を \({\color{#E9548E}{r}}\) とし、円周上の点を \((x,\ y)\) とします。

中心との距離が \(r\) なので、2点間の距離の公式から \(\sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}=r\) です。

両辺を2乗すると、円の方程式になります。

\((x-{\color{#45A3DA}{a}})^2+(y-{\color{#45A3DA}{b}})^2={\color{#E9548E}{r}}^2\)

特に中心が原点のときは \(a=b=0\) なので、\(x^2+y^2=r^2\) となります。

さん
さん

円の方程式は「2点間の距離の公式」を2乗したものなんだよ!

中心と半径から円の方程式を求める

例題1

点 \((5,\ -3)\) を中心とする半径 \(4\) の円の方程式を求めよ。

中心 \(({\color{#45A3DA}{5}},\ {\color{#45A3DA}{-3}})\)、半径 \({\color{#E9548E}{4}}\) を基本形に代入します。

\(y-(-3)=y+3\) となる符号に注意します。

\({\color{#EE4656}{(x-5)^2+(y+3)^2=16}}\)

円の方程式(一般形)

基本形を展開して整理すると、\(x^2+y^2+lx+my+n=0\) の形になります。

これを円の方程式の一般形といいます。

一般形が与えられたときは、\(x\) と \(y\) についてそれぞれ平方完成して基本形に戻すと、中心と半径が読み取れます。

一般形から中心と半径を求める

例題2

方程式 \(x^2+y^2-6x+2y-6=0\) が表す図形を求めよ。

\(x\) の項と \(y\) の項をそれぞれまとめ、平方完成します。

\((x^2-6x)+(y^2+2y)-6=0\)

\((x-3)^2-9+(y+1)^2-1-6=0\)

\((x-{\color{#45A3DA}{3}})^2+(y+{\color{#45A3DA}{1}})^2={\color{#E9548E}{4}}^2\)

よって、この方程式は点 \((3,\ -1)\) を中心とする半径 \(4\) の円を表します。

中心(3, −1)・半径4の円

右辺が正でないとき

平方完成した結果が \((x-a)^2+(y-b)^2=k\) となったとき、\(k>0\) なら円を表します。

ところが、\(k=0\) のときは \(x=a,\ y=b\) しか満たさないので1点を表し、\(k<0\) のときは満たす点がないので図形を表さないことになります。

生徒
生徒

一般形は、必ずしも円になるとは限らないんだね!

練習問題

練習1

次のような円の方程式を求めよ。

(1) 中心が原点、半径が2

(2) 中心が点 \((2,\ 3)\)、半径が5

(3) 中心が点 \((-2,\ 1)\)、半径が \(\sqrt{10}\)

答えを見る

(1) \({\color{#EE4656}{x^2+y^2=4}}\)

(2) \({\color{#EE4656}{(x-2)^2+(y-3)^2=25}}\)

(3) \({\color{#EE4656}{(x+2)^2+(y-1)^2=10}}\)

練習2

次の円の中心の座標と半径を求めよ。

(1) \((x-3)^2+(y+2)^2=8\)

(2) \(x^2+(y-1)^2=9\)

答えを見る

(1) 中心 \({\color{#EE4656}{(3,\ -2)}}\)、半径 \({\color{#EE4656}{2\sqrt{2}}}\)

(2) 中心 \({\color{#EE4656}{(0,\ 1)}}\)、半径 \({\color{#EE4656}{3}}\)

練習3

2点 \(\mathrm{A}(3,\ 4),\ \mathrm{B}(-1,\ 2)\) を直径の両端とする円について、次の問いに答えよ。

(1) 中心 \(\mathrm{C}\) の座標と半径を求めよ。

(2) 円の方程式を求めよ。

答えを見る

(1) 中心は線分 \(\mathrm{AB}\) の中点であるから \(\left(\frac{3-1}{2},\ \frac{4+2}{2}\right)={\color{#EE4656}{(1,\ 3)}}\)

半径は \(\mathrm{CA}=\sqrt{(3-1)^2+(4-3)^2}={\color{#EE4656}{\sqrt{5}}}\)

(2) \({\color{#EE4656}{(x-1)^2+(y-3)^2=5}}\)

練習4

2点 \(\mathrm{A}(-3,\ 2),\ \mathrm{B}(1,\ 6)\) を直径の両端とする円の方程式を求めよ。

答えを見る

中心は線分 \(\mathrm{AB}\) の中点 \((-1,\ 4)\)、半径は \(\sqrt{(1+1)^2+(6-4)^2}=2\sqrt{2}\)

よって \({\color{#EE4656}{(x+1)^2+(y-4)^2=8}}\)

練習5

方程式 \((x-a)^2+(y-b)^2=k\) において、\(k=0\) ならば、この方程式はどのような図形を表すか。

答えを見る

\((x-a)^2+(y-b)^2=0\) を満たすのは \(x=a,\ y=b\) のときだけである。

よって 点 \((a,\ b)\) を表す。

練習6

次の方程式はどのような図形を表すか。

(1) \(x^2+y^2+4x-2y-4=0\)

(2) \(x^2+y^2+6x+8y+12=0\)

答えを見る

(1) \((x+2)^2+(y-1)^2=9\) より 中心 \((-2,\ 1)\)、半径 \(3\) の円

(2) \((x+3)^2+(y+4)^2=13\) より 中心 \((-3,\ -4)\)、半径 \(\sqrt{13}\) の円

まとめ:円の方程式

さん
さん

さて、今回のまとめだよ!

円の方程式

■ [1] 中心 \((a,\ b)\)、半径 \(r\) の円の方程式(基本形)
\((x-a)^2+(y-b)^2=r^2\)

■ 特に、原点中心、半径 r の円の方程式
\(x^2+y^2=r^2\)

■ [2] 円の方程式(一般形)
\(x^2+y^2+lx+my+n=0\)

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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