w=z+1/z で表される点が描く図形(A)
★★★☆☆☆☆(共通テスト) / 作成者: shonan / 2026/10/27
🔁 類題: w=z+1/z で表される点が描く図形(B) (★★★☆☆☆☆(共通テスト))
問題
$r>1$ を定数とする.点 $z$ が円 $|z|=r$ 上を動くとき,$w=z+\dfrac{1}{z}$ で表される点 $w$ は楕円を描くことを示し,その焦点が $r$ によらないことを確かめよ.
$z=r(\cos\theta+i\sin\theta)$ とすると $\dfrac{1}{z}=\dfrac{1}{r}(\cos\theta-i\sin\theta)$ であるから,$w=x+yi$ として
\[ x=\left(r+\frac{1}{r}\right)\cos\theta,\qquad y=\left(r-\frac{1}{r}\right)\sin\theta \]
$r>1$ より $r-\dfrac{1}{r}>0$ であるから,$\cos^2\theta+\sin^2\theta=1$ より
\[ \frac{x^2}{\left(r+\frac{1}{r}\right)^2}+\frac{y^2}{\left(r-\frac{1}{r}\right)^2}=1 \]
これは楕円であり,$\theta$ が 1 周すると点 $w$ も楕円全体を 1 周する.
$r+\dfrac{1}{r}>r-\dfrac{1}{r}>0$ であるから,焦点は $x$ 軸上にあり,$c^2=\left(r+\dfrac{1}{r}\right)^2-\left(r-\dfrac{1}{r}\right)^2=4$ より $c=2$.よって焦点は $(\pm 2,\,0)$ で,$r$ によらない.
(例えば $r=3$ のとき,楕円 $\dfrac{x^2}{\frac{100}{9}}+\dfrac{y^2}{\frac{64}{9}}=1$ となる.)
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