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円と直線の位置関係の問題【北海学園大】
2018年 北海学園大円 $(x-1)^2+y^2=1$ と直線 $3x+4y+k=0$ が共有点をもたないとき，定数 $k$ の値の範囲を求めよ。
【考え方と解答】
円と直線が共有点をもたないのは，円の中心から直線までの距離が半径より大きいときである。円の中心 $(1,~0)$ から直線 $3x+4y+k=0$ までの距離を $d$ とすると
円と直線が共有点をもたないのは，円の中心から直線までの距離が半径より大きいときである。円の中心 $(1,~0)$ から直線 $3x+4y+k=0$ までの距離を $d$ とすると
\begin{align*}
d&=\dfrac{\abs{3\Cdot1+4\Cdot0+k}}{\sqrt{3^2+4^2}} \\[4pt]
&=\dfrac{\abs{k+3}}{5}
\end{align*}
円の半径は1であるから，条件をみたすのは $d>1$ となるときである。d&=\dfrac{\abs{3\Cdot1+4\Cdot0+k}}{\sqrt{3^2+4^2}} \\[4pt]
&=\dfrac{\abs{k+3}}{5}
\end{align*}
\begin{align*}
&\dfrac{\abs{k+3}}{5}>1 \\[4pt]
&\abs{k+3}>5 \\[4pt]
&k+3<-5,~5<k+3 \\[4pt] &k<-8,~2<k \end{align*}
&\dfrac{\abs{k+3}}{5}>1 \\[4pt]
&\abs{k+3}>5 \\[4pt]
&k+3<-5,~5<k+3 \\[4pt] &k<-8,~2<k \end{align*}
円と直線の接点に関する問題【久留米大】
2020年 久留米大・医$k$ を正の定数とし，座標平面上で表される円 $C:x^2+y^2-8x-10y+36=0$，直線 $l:2x-y+k=0$ を考える。
(1) 円 $C$ の中心の座標は $\left(\myhako,~\myhako\right)$ であり，半径は $\sqrt{\myhako}$ である。
(2) 直線 $l$ が円 $C$ に接するとき，$k=\myhako$ であり，直線 $l$ と円 $C$ の接点の座標は $\left(\myhako,~\myhako\right)$ である。
(1) 円 $C$ の中心の座標は $\left(\myhako,~\myhako\right)$ であり，半径は $\sqrt{\myhako}$ である。
(2) 直線 $l$ が円 $C$ に接するとき，$k=\myhako$ であり，直線 $l$ と円 $C$ の接点の座標は $\left(\myhako,~\myhako\right)$ である。
【(1)の考え方と解答】
基本形に変形して求めよう。
基本形に変形して求めよう。
\begin{align*}
&(x-4)^2+(y-5)^2=5
\end{align*}
よって，円 $C$ の中心の座標は $(4,~5)$ であり，半径は $\sqrt{5}$ である。&(x-4)^2+(y-5)^2=5
\end{align*}
(2) 直線 $l$ が円 $C$ に接するとき，$k=\myhako$ であり，直線 $l$ と円 $C$ の接点の座標は $\left(\myhako,~\myhako\right)$ である。
【(2)の考え方と解答】
(1)で円の中心の座標を求めているから，点と直線の距離を利用して，$l$ と $C$ が接するときの $k$ の値を求めよう。$l$ と $C$ が接するとき，円 $C$ の中心 $(4,~5)$ と直線 $l$ との距離が $\sqrt{5}$ になるから
(1)で円の中心の座標を求めているから，点と直線の距離を利用して，$l$ と $C$ が接するときの $k$ の値を求めよう。$l$ と $C$ が接するとき，円 $C$ の中心 $(4,~5)$ と直線 $l$ との距離が $\sqrt{5}$ になるから
\begin{align*}
&\dfrac{\abs{8-5+k}}{\sqrt{5}}=\sqrt{5} \\[4pt]
&\abs{k+3}=5 \\[4pt]
&k+3=\pm5 \\[4pt]
&k=-8,~2
\end{align*}
$k$ は正の定数であるから，$k=2$&\dfrac{\abs{8-5+k}}{\sqrt{5}}=\sqrt{5} \\[4pt]
&\abs{k+3}=5 \\[4pt]
&k+3=\pm5 \\[4pt]
&k=-8,~2
\end{align*}
ヒロ
次は接点の座標を求めよう。
ヒロ
ここで，円 $C$ の方程式と直線 $l$ の方程式を連立させて解くのは少し面倒に感じるだろう。
ヒロ
そこで，一度問題から離れて，少し楽に求める方法を考えることにする。
【円と直線の接点の求め方】
円 $C$ と直線 $l$ が接する状態の一例を図示すると，次のようになる。ただし，$C$ と $l$ の接点をTとする。
ここで，円の中心と接点Tを通る直線 $n$ は直線 $l$ と直交することに着目すると，接点Tは2直線 $l,~n$ の交点と捉えることができる。ちなみに，この直線 $n$ を点Tにおける円 $C$ の法線という。
ヒロ
(2)の解答を仕上げよう。
【(2)の考え方と解答の続き】
$k=2$ のとき，直線 $l$ の方程式は $2x-y+2=0~\cdots\cdots①$ である。
接点における円 $C$ の法線と直線 $l$ の交点を求めることで接点の座標を求めよう。円の中心 $(4,~5)$ を通り，直線 $l$ に垂直な直線の方程式は
よって，求める接点の座標は $(2,~6)$
$k=2$ のとき，直線 $l$ の方程式は $2x-y+2=0~\cdots\cdots①$ である。
接点における円 $C$ の法線と直線 $l$ の交点を求めることで接点の座標を求めよう。円の中心 $(4,~5)$ を通り，直線 $l$ に垂直な直線の方程式は
\begin{align*}
&(x-4)+2(y-5)=0 \\[4pt]
&x+2y-14=0~\cdots\cdots②
\end{align*}
$①\times2+②$ より&(x-4)+2(y-5)=0 \\[4pt]
&x+2y-14=0~\cdots\cdots②
\end{align*}
\begin{align*}
&5x-10=0 \\[4pt]
&x=2
\end{align*}
①より，$y=6$&5x-10=0 \\[4pt]
&x=2
\end{align*}
よって，求める接点の座標は $(2,~6)$
ヒロ
当たり前であるが，円 $C$ の方程式と直線 $l$ の方程式を連立させて考えても同じ結果が得られる。
【(2)の別の考え方】
$l:2x-y+k=0$ より，$y=2x+k$
これを $C:x^2+y^2-8x-10y+36=0$ に代入すると
$k=2$ のとき，$D=0$ であるから③は重解をもつ。③の重解は $x=-\dfrac{2k-14}{5}$ と表されるから，$k=2$ を代入して
よって，求める接点の座標は $(2,~6)$
$l:2x-y+k=0$ より，$y=2x+k$
これを $C:x^2+y^2-8x-10y+36=0$ に代入すると
\begin{align*}
&x^2+(2x+k)^2-8x-10(2x+k)+36=0 \\[4pt]
&5x^2+2(2k-14)x+k^2-10k+36=0~\cdots\cdots③
\end{align*}
③の判別式を $D$ とすると，$C$ と $l$ が接するのは $D=0$ のときであるから&x^2+(2x+k)^2-8x-10(2x+k)+36=0 \\[4pt]
&5x^2+2(2k-14)x+k^2-10k+36=0~\cdots\cdots③
\end{align*}
\begin{align*}
&D/4=(2k-14)^2-5(k^2-10k+36)=0 \\[4pt]
&k^2+6k-16=0 \\[4pt]
&(k+8)(k-2)=0 \\[4pt]
&k=-8,~2
\end{align*}
$k>0$ であるから，$k=2$&D/4=(2k-14)^2-5(k^2-10k+36)=0 \\[4pt]
&k^2+6k-16=0 \\[4pt]
&(k+8)(k-2)=0 \\[4pt]
&k=-8,~2
\end{align*}
$k=2$ のとき，$D=0$ であるから③は重解をもつ。③の重解は $x=-\dfrac{2k-14}{5}$ と表されるから，$k=2$ を代入して
\begin{align*}
x=-\dfrac{4-14}{5}=2
\end{align*}
となる。$x=2$ を $l:y=2x+2$ に代入して，$y=6$x=-\dfrac{4-14}{5}=2
\end{align*}
よって，求める接点の座標は $(2,~6)$
ヒロ
上では，③の重解をサクッと求めたが，③に $k=2$ を代入して，次のように2次方程式を解き直す人もいるだろう。
【③を解き直す】
③に $k=2$ を代入すると
③に $k=2$ を代入すると
\begin{align*}
&5x^2-20x+20=0 \\[4pt]
&x^2-4x+4=0 \\[4pt]
&(x-2)^2=0 \\[4pt]
&x=2
\end{align*}
&5x^2-20x+20=0 \\[4pt]
&x^2-4x+4=0 \\[4pt]
&(x-2)^2=0 \\[4pt]
&x=2
\end{align*}
ヒロ
答えを求めることだけを目的とするのであれば，③を解き直す方法で何も悪くない。
ヒロ
しかし，多くの参考書や問題集では，このような解法では解かれてなく，最初に書いた方法で解かれていることが多いだろう。
ヒロ
そして，その解答を理解できずに苦しんでいる人もいる。
ヒロ
理解できない部分は「③の重解が $x=-\dfrac{2k-14}{5}$ となる」部分だろう。
ヒロ
これを理解して使えるようにしよう。
【2次方程式の重解】
円と直線が接するときを考えているから，判別式 $D$ が0になることは理解しているはず。ここで解の公式を思い出そう。
2次方程式 $ax^2+bx+c=0$ の解は
\begin{align*}
x=\dfrac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}
\end{align*}
と表される。ここで判別式を $D$ とすると，$D=b^2-4ac$ であるから，解の公式は $D$ を用いてx=\dfrac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}
\end{align*}
\begin{align*}
x=\dfrac{-b\pm\sqrt{D}}{2a}
\end{align*}
と表される。これに $D=0$ を代入するとx=\dfrac{-b\pm\sqrt{D}}{2a}
\end{align*}
\begin{align*}
x=-\dfrac{b}{2a}
\end{align*}
となる。2次方程式が重解をもつとき，その重解を求める方法としてよく使われる式である。x=-\dfrac{b}{2a}
\end{align*}
ちなみに，2次方程式の実数解は放物線と $x$ 軸の共有点の $x$ 座標としても得られる。このことを考えると，2次方程式 $ax^2+bx+c=0$ が重解をもつのは，$y=ax^2+bx+c$ のグラフが $x$ 軸に接するときで，その接点は頂点と一致する。次の図は $a>0$ のときの例。
つまり，軸の方程式が $x=-\dfrac{b}{2a}$ であるから，接点の $x$ 座標も $-\dfrac{b}{2a}$ ということになる。
また，2次関数の軸の方程式については，平方完成することなく瞬時に出せる（言える）ようにするべきである。
したがって，この問題で調べたい③の重解の場合は，次の2次方程式③
\begin{align*}
5x^2+2(2k-14)x+k^2-10k+36=0
\end{align*}
の $x^2$ と $x$ の係数を見て，重解は $x=-\dfrac{2k-14}{5}$ となることが分かる。5x^2+2(2k-14)x+k^2-10k+36=0
\end{align*}
ヒロ
接点の座標を求めるのは少し面倒な計算であるが，ベクトルを利用すると，また別の方法も考えられる。
ヒロ
それについては，ベクトルの記事で触れることにする。