だ円(楕円)

 2定点(F、F')からの距離の和が一定であるような図形をだ円(楕円)という。そのとき、この二つの定点を焦点という。

※ だ円については別の定義の仕方もある。また、だ円は円錐を切ったときに現れる図形でもある。円錐を切ると、円、だ円、放物線、双曲線が現れる。これらをまとめて円錐曲線という。

 長い方の軸の長さ(a)、短い方の軸の長さ(b)とすると、だ円の形(つぶれ方)は扁平率(扁率)(f=(a−b)/a)で表わすことができる。a=bならば円であり、このときはf=0となる。また、a>>b(aがbの対して非常に大きい)のときは大変につぶれただ円ということになる。bが無視できればf=1。つまり だ円では、0<f<1 で、fの値が0に近いほど円に近いだ円、1に近いほどつぶれただ円ということになる。

 だ円が与えられたとき、焦点の位置はどのように求めるのだろう。いまだ円上の任意の点までの和が一定なのだから、下図でFB+F'B=FC+F'C。ここで、だ円は軸に対して対象だから、F'B=FA。つまりFB+F'B=FB+FA=2a。これはFC+F'Cに等しい。FC=F'Cだから、FC=F'C=a。

つまり、Cからaの距離に焦点がある。中心からの距離は三平方の定理(ピタゴラスの定理)よりとなる。 このとき、長軸(長半径)aに対するこの距離の比(/a)を離心率(e)という。離心率を使うと、中心から焦点までの距離は ae となる。また、近日点距離はa(1-e)、遠日点距離はa(1+e)となる。また、近日点距離と遠日点距離の平均はちょうどaになる。だから、太陽と惑星の平均距離は長軸の長さになる。

 

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もう一つのだ円の定義ある定点(F)とある直線(l)からの距離の比が一定(FP/FH=一定)というものである。このとき、この比の値が離心率(e)になる。このとき、この直線(l)を準線という。

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焦点なぜFやF'焦点というのだろう。下の図で、だ円上の任意の点Pを考える。その点における接線(s)上の別の点Qを考えて、FP+F'Pと長さを比較する。FQとだ円の交点をRとすると

 FQ+F'Q>FR+F'R=FP+F'P

 つまり、s上の点を考えるとFからF'にいたる距離はPで最小になる。これは光の反射と同じだから、∠α=∠β。つまり、片方の焦点から出た光は、だ円状で反射すると、必ず別な焦点を通ることになる。

 

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円錐曲線下図のような円錐を考える。底面に平行に切った切り口が円、切り口が母線に平行になったときが放物線、母線よりも小さな傾きで切ったときがだ円、母線よりも大きな傾きで切ったとき(上下の円錐とも切ったとき)が双曲線になる。離心率(e)で考えると、e=0が円、0<e<1がだ円、e=1が放物線、e>1が双曲線となる。

 円錐曲線には共通する性質がある。例えばパスカルの定理

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パスカルの定理円錐曲線に内接する6角形の対応するそれぞれ二辺(の延長の)交点は一直線上にある。下図ではだ円で示したが、円、放物線、双曲線どれでもよい。パスカル(フランス、1623年〜1662年)が16歳の時に考えて証明したという。

 図ではAB-DEの交点T、BC-EFの交点R、CD-FAの交点Qが一直線上にあることを示している。

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