円の方程式(equation of a circle)とは、中心 $(p,q)$、半径 $r>0$ の円の点 $(x,y)$ をちょうど満たす方程式で、距離の公式から $(x-p)^2+(y-q)^2=r^2$(標準形)と書ける。展開した一般形 $x^2+y^2+lx+my+n=0$ は、$l^2+m^2-4n$ が正なら円、$0$ なら 1 点、負なら空集合を表す。2 次方程式 $Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F=0$ が円を表すのは $B=0$、$A=C$、$D^2+E^2-4AF>0$ のときに限る。一直線上にない相異なる 3 点を通る円はちょうど 1 つで、係数 $l,m,n$ の連立 1 次方程式から求まる。
前提知識: 2点間の距離, 直線の方程式と点と直線の距離, 連立1次方程式
数学 II では、「中心 $(3,-2)$、半径 $4$ の円」を式 $(x-3)^2+(y+2)^2=16$ で表す。円は「中心からの距離が一定の点の集まり」であり、2 点の距離の公式(2点間の距離)を使うと、その条件が $x$ と $y$ の式になる。まず、この式で本当に円の点を見分けられるかを数で確かめる。
式 $(x-3)^2+(y+2)^2=16$ に点を代入する。
$(x-3)^2+(y+2)^2=16$ を展開して整理すると $x^2+y^2-6x+4y-3=0$ になる。逆に $x^2+y^2-6x+4y-3=0$ が与えられたら、$x^2-6x=(x-3)^2-9$、$y^2+4y=(y+2)^2-4$ と平方完成して
$$
(x-3)^2-9+(y+2)^2-4-3=0,\qquad\text{つまり}\qquad (x-3)^2+(y+2)^2=16
$$
に戻せる。
2 つの例から、次の問いが出てくる。
| 高校の計算 | この記事での見方 | ボックス |
|---|---|---|
| 距離の公式を 2 乗する | 円の点と式の解がちょうど一致する | thm-ceq-standard |
| 平方完成して中心と半径を読む | 右辺の符号で、円・1 点・空の 3 通りに分かれる | thm-ceq-general |
| $x^2$ と $y^2$ の係数をそろえる | 円を表す 2 次方程式は $x^2$ と $y^2$ の係数が等しく $xy$ の項がない | thm-ceq-which |
| 3 点を代入して連立方程式を解く | 係数 $l$、$m$、$n$ の 1 次方程式で、一直線上にない 3 点なら解がただ 1 つ | thm-ceq-three-points |
点 $C(p,q)$ と正の数 $r$ について、$C$ からの距離が $r$ である点全体の集合を、中心 $C$、半径 $r$ の 円 という。$x$、$y$ の方程式で、点 $(x,y)$ がこの円の上にあることと、$(x,y)$ がその方程式を満たすことが同値になるものを、この円の 方程式 という。
円は点の集まりであり、方程式はその点の集まりを見分ける条件である(円の定義、標準形と一般形の扱いは MM20 §11.1 にもある)。同じ円を表す方程式は 1 つではない(両辺を $2$ 倍しても同じ点の集まりを表す)。次の定理は、距離の公式からいちばん素直に作った方程式が、たしかに円の方程式になっていることを言う。
中心 $C(p,q)$、半径 $r>0$ の円について、点 $P(x,y)$ がこの円の上にあることと
$$
(x-p)^2+(y-q)^2=r^2
$$
が成り立つことは同値である。とくに、中心が原点のときは $x^2+y^2=r^2$ である。
方針:「距離が $r$」を「距離の 2 乗が $r^2$」に言いかえ、2 乗しても同値であることを確かめる。
段 1(距離を式で書く)。2 点の距離の公式から $CP=\sqrt{(x-p)^2+(y-q)^2}$ である。$P$ が円の上にあるとは $CP=r$ のことである。
段 2(2 乗する)。$CP=r$ なら、両辺を 2 乗して $CP^2=r^2$ である。逆に $CP^2=r^2$ なら $(CP-r)(CP+r)=0$ で、$CP\ge0$、$r>0$ から $CP+r>0$ なので $CP-r=0$、つまり $CP=r$ である。
段 3(まとめる)。$CP^2=(x-p)^2+(y-q)^2$ なので、$CP=r$ と $(x-p)^2+(y-q)^2=r^2$ は同値である。$\square$
段 2 で $CP+r>0$ を使ったところが、「2 乗しても余分な点が紛れ込まない」ことの中身である。$r$ を負の数に置きかえた式 $CP=-r$ は解をもたないが、2 乗すると同じ式 $CP^2=r^2$ になる。2 乗する前の両辺がどちらも $0$ 以上なので、この心配がない。
標準形を展開すると $x^2+y^2+lx+my+n=0$ の形になる($l=-2p$、$m=-2q$、$n=p^2+q^2-r^2$)。この形を円の方程式の 一般形 という。逆向きに、一般形の式がどんな点の集まりを表すかを調べる。
実数 $l$、$m$、$n$ について、方程式 $x^2+y^2+lx+my+n=0$ を満たす点全体は、次のようになる。
方針:平方完成して「2 乗の和 $=$ 定数」の形にし、右辺の符号で場合を分ける。
段 1(平方完成)。$x^2+lx=\left(x+\dfrac l2\right)^2-\dfrac{l^2}4$、$y^2+my=\left(y+\dfrac m2\right)^2-\dfrac{m^2}4$ なので、方程式は
$$
\left(x+\frac l2\right)^2+\left(y+\frac m2\right)^2=\frac{l^2+m^2-4n}4
$$
と同値である。右辺を $k$ とおく。
段 2($k>0$)。$k=\left(\dfrac{\sqrt{l^2+m^2-4n}}2\right)^2$ と書けるので、thm-ceq-standard により、これは中心 $\left(-\dfrac l2,-\dfrac m2\right)$、半径 $\dfrac{\sqrt{l^2+m^2-4n}}2$ の円である。
段 3($k=0$)。実数の 2 乗は $0$ 以上なので、2 乗の和が $0$ になるのは両方が $0$ のとき、つまり $x=-\dfrac l2$ かつ $y=-\dfrac m2$ のときだけである。
段 4($k<0$)。左辺はいつも $0$ 以上なので、負の数 $k$ に等しくなることはない。$\square$
同じ平方完成は 円と直線の位置関係 の例「展開した形から中心と半径を読む」でも行っている。
$2x^2+2y^2-4x+8y+1=0$ は、両辺を $2$ で割ると $x^2+y^2-2x+4y+\frac12=0$ となり、thm-ceq-general から中心 $(1,-2)$、半径 $\frac3{\sqrt2}$ の円である($l^2+m^2-4n=4+16-2=18$、半径は $\frac{\sqrt{18}}2$)。一方、$x^2+4y^2=4$ は点 $(2,0)$ と $(0,1)$ を通り、原点からの距離が $2$ と $1$ で違う。一般の 2 次方程式
$$
Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F=0\qquad(A,\ B,\ C\ \text{のどれかは}\ 0\ \text{でない})
$$
が円を表すのはいつかを、係数だけで判定する。
実数 $A,B,C,D,E,F$ で $(A,B,C)\ne(0,0,0)$ とする。方程式 $Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F=0$ を満たす点全体が(半径が正の)円であるための必要十分条件は
$$
B=0,\qquad A=C,\qquad D^2+E^2-4AF>0
$$
である。
方針:十分性は $A$ で割って thm-ceq-general に戻す。必要性は、円の中心を原点に移したうえで、円の上の特別な点を代入して係数を 1 つずつ決める。左辺を $G(x,y)$ と書く。
段 1(十分性)。$B=0$、$A=C$ なら、$(A,B,C)\ne(0,0,0)$ から $A\ne0$ である。両辺を $A$ で割ると $x^2+y^2+\frac DAx+\frac EAy+\frac FA=0$ で、thm-ceq-general の量は
$$
\Bigl(\frac DA\Bigr)^2+\Bigl(\frac EA\Bigr)^2-\frac{4F}A=\frac{D^2+E^2-4AF}{A^2}
$$
である。$A^2>0$ なので、これが正であることと $D^2+E^2-4AF>0$ は同値である。よって thm-ceq-general の 1 から円を表す。
段 2(必要性:中心を原点に移す)。逆に、$G=0$ を満たす点全体が中心 $(p,q)$、半径 $r>0$ の円 $K$ だとする。$x=p+u$、$y=q+v$ とおいて $G(p+u,q+v)$ を展開すると、$A(p+u)^2=Au^2+2Apu+Ap^2$、$B(p+u)(q+v)=Buv+Bqu+Bpv+Bpq$、$C(q+v)^2=Cv^2+\cdots$ となり、2 次の項は $Au^2+Buv+Cv^2$ のまま変わらない。そこで
$$
H(u,v):=G(p+u,q+v)=Au^2+Buv+Cv^2+D'u+E'v+F'
$$
と書ける($D'$、$E'$、$F'$ はある実数)。$(x,y)$ が $K$ の上にあることは $u^2+v^2=r^2$ と同じなので、$u^2+v^2=r^2$ を満たすどの $(u,v)$ でも $H(u,v)=0$ である。
段 3($u$ 軸上の 2 点)。$(u,v)=(r,0)$、$(-r,0)$ を代入すると
$$
Ar^2+D'r+F'=0,\qquad Ar^2-D'r+F'=0
$$
である。引くと $2D'r=0$ で、$r>0$ から $D'=0$ である。すると $F'=-Ar^2$ である。
段 4($v$ 軸上の 2 点)。同じく $(0,r)$、$(0,-r)$ を代入すると $E'=0$、$F'=-Cr^2$ である。段 3 と合わせて $-Ar^2=-Cr^2$ で、$r^2>0$ から $A=C$ である。
段 5(斜めの点)。$\left(\frac r{\sqrt2},\frac r{\sqrt2}\right)$ も $u^2+v^2=r^2$ を満たすので、代入して
$$
A\cdot\frac{r^2}2+B\cdot\frac{r^2}2+C\cdot\frac{r^2}2+F'=0
$$
である。$A=C$、$F'=-Ar^2$ を使うと左辺は $\frac{Br^2}2$ になるので、$B=0$ である。
段 6(元に戻す)。以上で $H(u,v)=A(u^2+v^2-r^2)$ で、$(A,B,C)\ne(0,0,0)$ と $B=0$、$A=C$ から $A\ne0$ である。$u=x-p$、$v=y-q$ に戻すと
$$
G(x,y)=A\bigl((x-p)^2+(y-q)^2-r^2\bigr)
$$
である。展開すると $D=-2Ap$、$E=-2Aq$、$F=A(p^2+q^2-r^2)$ なので
$$
D^2+E^2-4AF=4A^2(p^2+q^2)-4A^2(p^2+q^2-r^2)=4A^2r^2>0
$$
である。$\square$
段 6 から、円を表す 2 次方程式は、標準形の左辺を $A$ 倍したものに限ることも分かる。つまり、円の方程式は「$0$ でない数を掛ける」違いを除いて 1 つに決まる。
一般形 $x^2+y^2+lx+my+n=0$ には、自由に選べる数が $l$、$m$、$n$ の 3 つある。点 $(a,b)$ を通る条件 $a^2+b^2+la+mb+n=0$ は、$l$、$m$、$n$ の 1 次方程式 である。だから 3 点を与えると、3 つの未知数の連立 1 次方程式が得られる。
相異なる 3 点 $P_1(x_1,y_1)$、$P_2(x_2,y_2)$、$P_3(x_3,y_3)$ について、
$$
\Delta=(x_2-x_1)(y_3-y_1)-(x_3-x_1)(y_2-y_1)
$$
とおく。
方針:$\Delta$ が「一直線上にあるか」を表すことを先に示し、次に連立方程式を解く。$s_i=x_i^2+y_i^2$ とおく。
段 1($\Delta$ と一直線)。$\overrightarrow{P_1P_2}=(a,b)$、$\overrightarrow{P_1P_3}=(c,d)$ とおくと $\Delta=ad-bc$ で、$P_1\ne P_2$ から $(a,b)\ne(0,0)$ である。3 点が一直線上にあるのは、$(c,d)=t(a,b)$ となる実数 $t$ があるときである。そうなら $ad-bc=a\cdot tb-b\cdot ta=0$ である。逆に $ad-bc=0$ とする。$a\ne0$ なら $t=\frac ca$ とおくと $d=\frac{bc}a=tb$ である。$a=0$ なら $b\ne0$ で、$-bc=0$ から $c=0$、$t=\frac db$ とおけば $(c,d)=t(a,b)$ である。よって $\Delta=0$ と「一直線上にある」は同値である。
段 2(連立方程式を作る)。円が 3 点を通ることは、$l$、$m$、$n$ が
$$
x_il+y_im+n=-s_i\qquad(i=1,2,3)
$$
を満たすことである。2 番目と 3 番目の式から 1 番目の式を引くと、$n$ が消えて
$$
al+bm=-(s_2-s_1),\qquad cl+dm=-(s_3-s_1)
$$
となる。逆にこの 2 式と 1 番目の式が成り立てば、元の 3 式が成り立つ。
段 3($\Delta\ne0$ なら解はただ 1 つ)。右辺を $e$、$f$ と書く。第 1 式を $d$ 倍して第 2 式の $b$ 倍を引くと $(ad-bc)l=de-bf$、第 2 式を $a$ 倍して第 1 式の $c$ 倍を引くと $(ad-bc)m=af-ce$ である。$\Delta=ad-bc\ne0$ なので、$l=\frac{de-bf}\Delta$、$m=\frac{af-ce}\Delta$ と決まり、実際に 2 式を満たす(代入して確かめられる)。すると 1 番目の式から $n=-s_1-x_1l-y_1m$ も決まる。
段 4(それが円であること)。こうして得た方程式を満たす点には、相異なる 3 点が含まれる。thm-ceq-general の 2 と 3 では満たす点が 1 個以下なので、1 の場合であり、円である。3 点を通る円はどれも一般形に書けて、その係数は段 3 のただ 1 つの解に等しいので、円はちょうど 1 つである。
段 5($\Delta=0$ のとき)。段 1 から 3 点は 1 本の直線の上にある。直線と円の共有点は 2 個以下なので(円と直線の位置関係 の定理「円と直線の位置関係」)、3 点を通る円はない。$\square$
同じ定理を、中心を 2 本の垂直二等分線の交点として求める幾何の道で示すのが、三角形の外心 の定理「3 辺の垂直二等分線は 1 点で交わる」である。この記事の道は、「円の全体」を 3 つの数 $(l,m,n)$ の組と見て、点を通る条件が 1 次式になることを使っている。
相異なる 2 点 $A(x_1,y_1)$、$B(x_2,y_2)$ について、方程式
$$
(x-x_1)(x-x_2)+(y-y_1)(y-y_2)=0
$$
は、線分 $AB$ の中点を中心とし、$\frac{AB}2$ を半径とする円($AB$ を直径とする円)を表す。
$(x-x_1)(x-x_2)=x^2-(x_1+x_2)x+x_1x_2=\left(x-\frac{x_1+x_2}2\right)^2-\left(\frac{x_1-x_2}2\right)^2$ である(右辺を展開すると定数項が $\frac{(x_1+x_2)^2-(x_1-x_2)^2}4=x_1x_2$ になる)。$y$ も同じなので、方程式は
$$
\left(x-\frac{x_1+x_2}2\right)^2+\left(y-\frac{y_1+y_2}2\right)^2=\frac{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}4=\Bigl(\frac{AB}2\Bigr)^2
$$
と同値である。$A\ne B$ から $AB>0$ なので、thm-ceq-standard によりこれは中点を中心、半径 $\frac{AB}2$ の円である。$\square$
左辺はベクトルの内積 $\overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PB}$ であり、この方程式は「$P=A$、$P=B$ か、$\angle APB=90^\circ$」を表している。この図形的な意味は 直径に対する円周角 の定理「内積による表示」で扱う。
$A(1,2)$、$B(5,-4)$ のとき、方程式は $(x-1)(x-5)+(y-2)(y+4)=0$、展開して $x^2+y^2-6x+2y-3=0$ である。平方完成すると $(x-3)^2+(y+1)^2=13$ で、中心 $(3,-1)$ は $AB$ の中点、半径 $\sqrt{13}$ は $\frac{AB}2=\frac{\sqrt{16+36}}2=\frac{\sqrt{52}}2=\sqrt{13}$ に等しい。
円の方程式の左辺に、円の上にない点を代入すると何が分かるか。
円 $x^2+y^2+lx+my+n=0$($l^2+m^2-4n>0$)の中心を $C$、半径を $r$、左辺を $f(x,y)$ とする。どの点 $P(x_0,y_0)$ についても $f(x_0,y_0)=CP^2-r^2$ である。したがって、$P$ が円の内部($CP< r$)にあるのは $f(x_0,y_0)<0$ のとき、外部($CP>r$)にあるのは $f(x_0,y_0)>0$ のときである。
prf-ceq-general の段 1 により、すべての $(x,y)$ で $f(x,y)=\left(x+\frac l2\right)^2+\left(y+\frac m2\right)^2-r^2$ である($r^2=\frac{l^2+m^2-4n}4$)。$C=\left(-\frac l2,-\frac m2\right)$ なので、右辺の 2 乗の和に $P$ を入れたものは $CP^2$ である。$\square$
円 $x^2+y^2-6x+4y-3=0$(中心 $(3,-2)$、半径 $4$)で、$P(0,0)$ では $f=-3<0$ で内部にある($CP^2=9+4=13=16-3$)。$Q(8,0)$ では $f=64-48-3=13>0$ で外部にある($CQ^2=25+4=29=16+13$)。
$P$ が外部にあるとき、$f(x_0,y_0)=CP^2-r^2$ は $P$ から引いた接線の長さの 2 乗に等しい。この量(方べき)は 方べきの定理(高校数学) で中心的な役割をする。
thm-ceq-which と thm-ceq-three-points の条件を 1 つずつ外すと、主張が崩れる。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| $B=0$($A=C$ と半径の条件は保つ) | $x^2+xy+y^2=1$ | 円を表す(ex-ceq-which の 3) |
| $A=C$($B=0$ と半径の条件は保つ) | $x^2+4y^2=4$ | 円を表す(ex-ceq-which の 2) |
| $D^2+E^2-4AF>0$($B=0$、$A=C$ は保つ) | $x^2+y^2-2x+2=0$ | 円を表す(ex-ceq-general の 3:満たす点がない) |
| 3 点が一直線上にない(相異なる 3 点) | $(0,0)$、$(1,2)$、$(3,6)$ | 3 点を通る円がある(ex-ceq-three-points の 3) |
「相異なる 3 点」という仮定は表に入れていない。2 点が一致すると 3 点はいつも一直線上にあるので、この仮定だけを外すことはできないからである。それでも、仮定を外すと何が起こるかは次の例で見られる。
3 点を $(0,0)$、$(0,0)$、$(2,0)$ とし、点が実際には $(0,0)$ と $(2,0)$ の 2 つしかないとき、中心を $(1,t)$($t$ は任意の実数)にとると、両方の点までの距離の 2 乗は $1+t^2$ で等しい。よって円 $(x-1)^2+(y-t)^2=1+t^2$ はどれも 2 点を通り、そのような円は無限にある。prf-ceq-three-points では、相異なることを段 1 の $(a,b)\ne(0,0)$ と段 4 で使っている。
$x^2+y^2-2x=0$ と $-5x^2-5y^2+10x=0$ は同じ円(中心 $(1,0)$、半径 $1$)を表す。後者は $A=C=-5$ で、$D^2+E^2-4AF=100>0$ である。thm-ceq-which は $A$ の符号を問わない。条件 $D^2+E^2-4AF>0$ は、全体を $0$ でない数 $k$ 倍すると $k^2$ 倍になるだけなので、符号は変わらない。
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