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2次関数と直線の交点(基~標)

今回は、直線y=ax+bと放物線y=ax^2の交点について見ていく。

 (標)は標準レベルの問題。基礎だけやる場合は飛ばそう。

 

前回 2次関数の文章題①(制動距離・平均の速さ)

次回 2次関数と線分(長さ・正方形になるような点)(基~標準)

 

 

  

1.例題01 直線と放物線の交点の座標

例題01-1

(1) 2つの直線 y=2x+1y=-x+4 の交点の座標を求めなさい。

(2) 直線 y=2x+3 と 放物線 y=x^2 の交点の座標を求めなさい。

(3) 直線 y=4x-4 と 放物線 y=x^2 の交点の座標を求めなさい。

(4) 直線 y=-x+1 と 放物線 y=x^2 の交点の座標を求めなさい。 

解説

2つの式を連立すれば交点を出せる。 

例えば、(1) y=2x+1y=-x+4の交点を求めるには

2つの式を連立して 

 {\displaystyle \begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} y=2x+1 \\ y=-x+4 \\ \end{array} \right. \end{eqnarray} }

y を消去すると

 2x+1=-x+4

これを解けばよい。

 

放物線と直線の交点の場合、

yを消去すると、2次方程式ができる。

例えば、(2) 直線 y=2x+3 と 放物線 y=x^2の交点は

 {\displaystyle \begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} y=2x+3 \\ y=x^2 \\ \end{array} \right. \end{eqnarray} }

y を消去すると

 2x+3=x^2

となり、2次方程式を解くことになる。

2次方程式の解は多くて2個だから、

交点も最大で2個存在する

 

(1)

 {\displaystyle \begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} y=2x+1 \\ y=-x+4 \\ \end{array} \right. \end{eqnarray} }

y を消去すると

 2x+1=-x+4

これを解いて、x=1

どちらかの式に代入し、y=3

よって、交点の座標は (1,3)・・・答

 

(2)

 {\displaystyle \begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} y=2x+3 \\ y=x^2 \\ \end{array} \right. \end{eqnarray} }

yを消去して

 2x+3=x^2 

 x^2-2x-3=0

 (x+1)(x-3)=0

  x=-1,3

解が2つあるので、それぞれについてyの値を求める

 x=-1 を y=x^2 に代入し y=1

 x=3 を y=x^2 に代入し y=9

以上より交点は

 (-1,1), (3,9)・・・答

 

(3)

 {\displaystyle \begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} y=4x-4 \\ y=x^2 \\ \end{array} \right. \end{eqnarray} }

よって、

 4x-4=x^2

 x^2-4x+4=0

 (x-2)^2=0

  x=2

これを代入し、y=4

よって、交点は (2,4)・・・答

このように放物線と直線の交点が1つの場合、

放物線と直線は接する」といい、その交点を接点という。

 

(4) 

 {\displaystyle \begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} y=-x+1 \\ y=x^2 \\ \end{array} \right. \end{eqnarray} }

よって、

 -x+1=x^2

 x^2+x-1=0

解の公式を使って解くと、

 x=\frac{-1±\sqrt{1^2-4×1×(-1)}}{2×1}

  x=\frac{-1±\sqrt5}{2}

解が2つ出てきたので、分けて考える

 x=\frac{-1+\sqrt5}{2} のとき、y=\frac{3-\sqrt5}{2}

 x=\frac{-1-\sqrt5}{2} のとき、y\frac{3+\sqrt5}{2}

以上より、交点の座標は

 (\frac{-1+\sqrt5}{2}, \frac{3-\sqrt5}{2})(\frac{-1-\sqrt5}{2}, \frac{3+\sqrt5}{2})

 

解答

(1)

 2x+1=-x+4

これを解いて、x=1y=3

よって、 (1,3)・・・答

 

(2)

 2x+3=x^2 

 これを解いて、x=-1,3

 x=-1 のとき、 y=1

 x=3 のとき、 y=9

以上より

 (-1,1), (3,9)・・・答

 

(3)

 4x-4=x^2

  x=2

このとき、y=4

よって、 (2,4)・・・答

 

(4)

 -x+1=x^2

 x^2+x-1=0

これを解いて x=\frac{-1±\sqrt5}{2}

 x=\frac{-1+\sqrt5}{2} のとき、y=\frac{3-\sqrt5}{2}

 x=\frac{-1-\sqrt5}{2} のとき、y\frac{3+\sqrt5}{2}

以上より、交点の座標は

 (\frac{-1+\sqrt5}{2}, \frac{3-\sqrt5}{2})(\frac{-1-\sqrt5}{2}, \frac{3+\sqrt5}{2})・・・答

  

例題1-2

f:id:keimathchem:20190812135511p:plain

(1)  2つの関数 y=ax^2, y=2x-b のグラフ 

は2点A, Bで交わり、点Aの座標は (2,-4) である。

 ① a,b の値を求めなさい

 ② 点Bの座標を求めなさい 

 

 

f:id:keimathchem:20190812141350p:plain

(2) 関数 y=\frac13 x^2 のグラフと、関数 y=x+b のグラフの交点の一つをPとする。点Pの x 座標が6のとき、

 ① bの値を求めなさい。

 ② 他の交点の座標を求めなさい。

 

 

 

  

 解説

(1) 放物線の式を求めるには、そのグラフが通る点を一つ見つけて代入する

  y=ax^2y=2x-b も、点Aを通るから、点Aの座標を代入する

 

(2) 点Pは y=\frac13 x^2 上にあるから、代入すれば、座標がわかる。

 その座標を y=x+b に代入すればよい。

 

解答

(1)

 y=ax^2(2,-4)を通るから

 -4=a×2^2

  a=-1・・・答

y=2x-b(2,-4)を通るから

 -4=2×2-b

  b=8・・・答

 

2つの関数の式は

 y=-x^2y=2x-8

これらの交点は

 -x^2=2x-8

 

これを解いて

  x=2,-4

x=-4 を代入し y=-16

よって、点B(-4,-16)・・・答

 ※x=2から求められるのは、点Aの座標(2,-4)

 

(2)

 点Pは y=\frac13 x^2 のグラフ上にあるから

 y=\frac13 x^2x=6 を代入して

  y=12

 よって、P(6,12)

 点Pは、 y= x+bのグラフでもあるから

  12=6+b

   b=6・・・答

 

 y=\frac13 x^2y=x+6の交点の座標を求めればよい。

  \frac13 x^2=x+6

 これを解いて

   x=6,-3

 よって、他の交点は

   (-3,3)・・・答

  


練習問題01

(1) 直線 y=-x+6 と 放物線 y=x^2 の交点の座標を求めなさい。

(2) 放物線 y=\frac12 x^2 と 直線 y=x-\frac12 の交点の座標を求めなさい。

(3) 放物線 y=ax^2 と直線 y=x-3 のグラフは2点A,Bで交わり、点Aの x 座標が2である。a の値と、点Bの座標を求めなさい


  

2.例題02 直線の式を求める。

例題02

f:id:keimathchem:20190812142423p:plain

(1) 放物線 y=-x^2 上に2点A、Bがある。点Aと点Bの x 座標はそれぞれ -3, 2 である。

 ①点A, Bの座標をそれぞれ求めなさい。

 ②直線ABの式を求めなさい。

 

 

 

 

(2) 放物線 y=\frac12 x^2 上に点A (-2,2) がある。f:id:keimathchem:20190812175030p:plainこの放物線上に点Aとは異なる点Pをとり、点Pの x 座標を t とするとき、直線APの式を t で表わせ。

 

 

 

解説

以前、変化の割合のところで紹介した手法を使ってもよい。

2次関数と変化の割合

 

(1)

 ①

  点A,Bのx座標がわかっているから、

 y=-x^2に代入すればよい。

    y=-x^2x=-3 を代入し,  y=-9

    y=-x^2x=2 を代入し,   -4

  よって、A(-3,-9), B(2,-4)・・・答

 2点がわかれば直線の式が求められる。

 これは2年生で学習した内容である。

 連立する方法で解答をつくると

  A(-3,-9), B(2,-4)を通る直線を y=ax+bとする

    -3a+b=-9・・・Ⅰ

    2a+b=-4・・・Ⅱ

  2式を連立して

   a=1,b=-6

 よって、y=x-6・・・答

 

以前紹介したように、変化の割合から、直線の傾きを出してもよい。

 変化の割合は -1(-3+2)=1

 これが、直線の傾きなので、y=x+bとおける。

 A(-3,-9)を通るので、

  -9=-3+b

  b=-6

 よって、y=x-6・・・答

 

補足

 関数 y=ax^2 のグラフ上に x 座標が p,q の2点をとる。

 この2点を通る直線の式は

  y=a(p+q)x-apq

 である。

  変化の割合の章でも紹介した。

 

(2)

補足で扱った公式より

 y=\frac12(t-2)x-\frac12×(-2)×t

 y=\frac12(t-2)x+t・・・答

とすると早い。

 

解答

(1)

 ①

  y=-x^2x=-3, x=2を代入し,

  A(-3,-9), B(2,-4)・・・答

 ②

  求める直線を y=ax+bとおく

    -3a+b=-9

    2a+b=-4

   2式を連立して

    a=1,b=-6

  よって、y=x-6・・・答

 

(2)

y=a(p+q)x-apqより

 y=\frac12(t-2)x-\frac12×(-2)×t

 y=\frac12(t-2)x+t・・・答

 


練習問題02

f:id:keimathchem:20190812175845p:plain

(1) 放物線 y=ax^2 上に2点A、Bがあり、その座標はぞれぞれA(t,2), (2,8) である。ただし t<0 とする。

 ①a,tの値をぞれぞれ求めなさい。

 ②直線ABの式を求めなさい

 

 

 

(2)放物線 y=\frac14 x^2 上に2点A,Bがある。2点A,Bの x 座標は -2, 4 で、直線ABと y 軸の交点をCとする。点Cの座標を求めなさい。 

f:id:keimathchem:20190812180432p:plain

 

(3) 放物線 y=ax^2 (a>0)と直線 2x+b が2点A,Bでわっている。A,Bの x 座標はそれぞれ -1,2 である。a,b の値を求めよ。

 

<出典:(3) 洛南高校・改>


 

 3.例題03共有点の個数と条件(標)

例題03

 y=x^2y=x+b が互いに接するような定数 b を求めなさい。

  

 解説 

 放物線と直線が接する

  →交点が1つ

  →yを消去してできる2次方程式が重解をもつ

 

2つのグラフの交点は

 x^2=x+b 

 x^2-x-b=0

この方程式を解けば出てきた。

交点が1つになる(接する)には、

この方程式の答えが1つ(重解)であればよい

 

よって、

  x^2-x-b=0が重解をもつbの値を求めなさい。

 という問題に言い換えることができる。

 

これは、以前の記事で学んだ(例題5)

※ ↑の記事は補足を含めて解き方をマスターしてほしい

  ただし、例題06は高校範囲。

いろんな解き方があるが、

中学範囲で一番オーソドックスな解答は以下の通り

 

解答

 x^2=x+b 

 x^2-x-b=0

xの係数に着目すると

この方程式が

 (x-\frac12)^2=0

と変形できればよい。

よって、b=-\frac14

※接点の座標

  (x-\frac12)^2=0 と変形できるから

 x=\frac12

よって、接点の座標は

y=x^2に代入し

 (\frac12,\frac14)

になる。

 


練習問題03

(1) 放物線 y=x^2と直線 y=ax-9 (a<0)が接するとき

a の値を求めなさい

② 接点の座標を求めなさい。

 

(2) 放物線 y=\frac12 x^2 と直線 y=ax-\frac12 (a>0) がある。放物線と直線がただ1つの共有点を持つ。

a の値と、共有点の座標を求めなさい。

② 直線 y=ax-\frac12 と平行で、放物線と2点で交わる直線を考える。この2つの交点の x 座標をそれぞれ s,t とするとき、st の関係式を求めなさい。 


 

4.演習問題


(1) 2つの関数 y=x^2y=2x-24の交点の座標を求めなさい。

 

f:id:keimathchem:20190812184240p:plain

(2) 関数 y=ax^2 のグラフ上に2点A、Bがある。点Aの座標は (-2,4), 点Bの x 座標は 3 であり、2点ABを通る直線と、x 軸との交点を点Cとする。

 ① 点Bの座標を求めなさい。

 ② 直線ABの式を求めなさい。

 ③ 点Cの座標を求めなさい。

 

 

f:id:keimathchem:20190812191429p:plain

(3) 2つの関数 y=\frac{4}{x}y=ax^2 のグラフが点A(2,2) で交わっている。また、点Bは関数 y=\frac{4}{x} 上の点で、その x 座標はtex:-1]である。

 ① a の値を求めなさい。

 ② 2点ABを通る直線の式を求めなさい。

 

 

f:id:keimathchem:20190812192058p:plain

(4) 放物線 y=ax^2 上に点Aがあり、その x 座標は-4である。点Aを通り傾きが a である直線 m をひき。放物線と再び交わる点をBとする。

 ① 直線 m の式を a で表わせ。

 ② 点Bの x 座標を求めなさい。

  

 

f:id:keimathchem:20190812192800p:plain

(5) 放物線 y=ax^2 上に2点A,Bがあり、点Aの座標は (-3,-2), 点Bのx座標を t とする。2点ABを通る直線と x 軸との交点が (6,0) であるとき

 ① a の値を求めなさい。

 ② 直線ABの式を t の式で表しなさい。

 ③ t の値を求めなさい。

  

 

f:id:keimathchem:20190812193645p:plain

(6)(標) 放物線 y=x^2 と傾き \frac12 の直線が2点A, Bで交わっている。点Bを通り y 軸に平行な直線と x 軸との交点をCとすると、点Aを通り、x 軸に平行な直線はBCの垂直二等分線となる。点Bの x 座標を t とするとき

 ① Aの座標を t で表わせ。

 ② t の値を求めなさい。

 

 

(7)(標) 放物線 y=x^2 と直線 y=4x-a がある。放物線と直線がただ1つの共有点を持つ。また、直線 y=4x-ay 軸上で交わり、放物線と2点で交わる直線を考える。この2つの交点の x 座標をそれぞれ s,t とする

 ① a の値を求めなさい。

 ② s^2+t^2=6 のとき、s+t の値を求めよ。

  

 

(8)(難) 放物線 y=a^2 x^2 と直線 y=ax+2 が2点A,Bで交わっている。ただし a>0 とする。△AOBが直角三角形になるような a の値をすべて求めなさい。

 

f:id:keimathchem:20190812194046p:plain

 


<出典:(6)大阪星光・改 (8)立教新座

 5.解答

 練習問題・解答

練習問題01

(1)

 x^2=-x+6

 x^2+x-6=0

 (x-2)(x+3)=0

  x=2,-3

よって交点は

 (2,4),(-3,9)・・・答

 

(2)

 \frac12 x^2=x-\frac12

 x^2-2x+1=0

 (x-1)^2=0

  x=1

よって、交点は

 (1, \frac12)・・・答

 

(3)

点Aはy=x-3のグラフ上にあるから

 y=2-3=-1

よって、(2,-1)

点Aは y=ax^2のグラフ上にあるから

 -1=a×2^2

 a=-\frac14・・・答

よって、グラフの交点は

 -\frac14 x^2=x-3

 x^2+4x-12

 (x-2)(x+6)

  x=2,-6

よって、B(-6,-9)・・・答

 

練習問題02

(1)

 放物線は(2,8)を通るから

 8=4a

  a=2・・・答

よって、y=2x^2

この放物線は(t,2)を通るから

 2=2t^2

 t=-1・・・答

 

(2,8), (-1,2)を通る直線の式を求めればよい。

連立するなり、変化の割合から傾きを出すなりすると、

  y=2x+4・・・答

 y=a(p+q)x-apqに代入してもよい。

 

(2)

直線ABの式を出し、その切片を見ればCの座標がわかる。

2点A, Bの座標はそれぞれ

 A(-2,1), B(4,4)

であるから、直線ABの式は

 y=\frac12 x+2

よって、C(0,2)・・・答

※もちろん、切片は-apqだから

  -\frac14×(-2)×4=+2

 よって、C(0,2) とすると早い。

  

 (3) 

 y=a(p+q)x-apqより

 傾きについて、a(-1+2)=2

 切片について、-a×(-1)×2=b

が成り立つ。

 a(-1+2)=2より、a=2

 -a×(-1)×2=bより、b=4

よって、

 a=2,b=4・・・答

このようにすると早い。

 

練習問題03

(1)

 x^2-ax+9=0

定数項 +9に着目すると、

この方程式が

 (x+3)^2=0

と変形できればよい

よって、a=-6・・・答

 

 (x+3)^2=0

より、x=-3

よって、(-3,9)・・・答

 

(2)

 \frac12 x^2=ax-\frac12

 \frac12 x^2-ax+\frac12=0

 x^2-2ax+1=0

定数項 +1に着目すると

この方程式を

 (x-1)^2=0

と変形できればよい。

よって a=1・・・答

 また、

 (x-1)^2=0

に変形できるから

 x=1

よって、接点の座標は

 (1,\frac12)・・・答

 

放物線と2点で交わる直線の方程式の傾きは

 \frac12(s+t)

この直線は y=x-\frac12 と平行なので

 \frac12 (s+t)=1

  s+t=2・・・答

 

演習問題・解答 

(1) 

 x^2=2x-24

 x^2-2x+24=0

 (x-6)(x+4)=0

  x=6,-4

よって、(6,36), (-4,16)・・・答

 

(2)

点Aはy=ax^2上の点だから

 4=4a

 a=1

よって、点Bはy=x^2上の点だから

 y=3^2=9

よって、B(3,9)・・・答

 

 A(-2,4), B(3,9)を通る直線の式を求める。

  y=x+6・・・答

※連立するなり、傾きから出すなり、公式を使うなり自由にだそう。

 

点Cのy座標は0である。

点Cは直線AB上の点だから

 0=x+6

  x=-6

よって、C(-6,0)・・・答

 

(3)

点Aはy=ax^2を通るので

 2=4a

  a=\frac12・・・答

 

点Bはy=\frac{4}{x}上の点だから

 y=\frac{4}{-1}=-4

  B(-1,-4)

よって、A(2,2),B(-1,4)を通る直線の式は

 y=-\frac23 x+\frac{10}{3}・・・答

 

 

(4)

 Aのx座標は-4だから、

  A(-4,16a)

 直線の式を y=ax+bとおくと

  16a=-4a+b

   b=20a

 よって、

  y=ax+20a・・・答

 

  ax^2=ax+20a

  ax^-ax-20a=0

  a(x+4)(x-5)=0

   x=-4,5

 よって、点Bのx座標は5・・・答

 

(5)

点Aはy=ax^2上の点だから

 -2=9a

  a=-\frac29

 

公式

 y=a(p+q)x-apq

より、

 y=-\frac29 (t-3)x-\frac23 t・・・答

 

 ②の直線は(6,0)を通るので

  0=-\frac29 (t-3)×6-\frac23 t

  0=-4(t-3)-2t

   t=2・・・答

 

(6)

 点Bは y=x^2 上の点だから

   B(t, t^2)

 点Aを通り、x 軸に平行な直線は

 BCの垂直二等分線だから

  点Aの y 座標は \frac12 t^2

点Aは y=x^2 上の点だから

  A(\frac{t}{\sqrt2},\frac12 t^2)・・・答

 

 ABの傾きをtの式で表すと

  t+\frac{t}{\sqrt2}

 直線ABの傾きは\frac12だから

  t+\frac{t}{\sqrt2}=\frac12

  2t+\sqrt2 t=1

  (2+\sqrt2)t=1

   t=\frac{1}{2+\sqrt2}

有利化して

   t=\frac{2-\sqrt2}{2}・・・答

  

(7)

 x^2=4x-a

 x^2-4x+a=0

この式が

 (x-2)^2=0

と変形できればよい

そのためには、

 a=4・・・答

 

 放物線と2点で交わる直線mの式は

  y=(s+t)x-st

 この直線はy=4x-4y軸上で交わるので

  st=4

ここで、

 (s+t)^2=s^2+t^2+2st

に、s^2+t^2=6, st=4を代入し

 (s+t)^2=6+2×4

 (s+t)^2=14

  s+t=±\sqrt{14}・・・答

 

(8)

直線同士が垂直に交わる条件は

  傾き×傾き=-1

 である。

また、

 △AOBが直角三角形になるということは

  ∠AOB=90° ∠OAB=90°  ∠OBA=90°

 の3パターンが考えられる。

方針としては

OA、OB, ABの傾きを出して、

各場合について、垂直条件からaを求める。

放物線と直線の交点はのx座標は

 a^2 x^2=ax+2

 a^2 x^2-ax-2=0

 (ax-2)(ax+1)=0

  x=\frac2a, -\frac1a

 

よって、 

直線ABの傾きは

 a^2(\frac2a-\frac1a)=a

直線OAの傾きは

 a^2(-\frac1a+0)=-a

直線OBの傾きは

 a^2(\frac2a+0)=2a

 

よって、

∠AOB=90°のとき

 -a×2a=-1 これを解いて a=\frac{\sqrt2}{2}

∠OAB=90°のとき

 -a×a=-1 これを解いて a=1

∠OBA=90°のとき

 2a×a=-1 これを満たす a はない。

以上より、

 a=\frac{\sqrt2}{2}, 1・・・答