16
13

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?

More than 3 years have passed since last update.

円と直線の交点を求める

Last updated at Posted at 2020-03-31

円と直線の位置関係

円と直線の位置関係は

  • 異なる2点で交わる
  • 1点で接する
  • 共有点を持たない

のいずれか。

円と直線の関係の判定方法

円の中心から直線までの距離と円の半径を比較して判定する。
点と直線の距離

円の半径を $r$ 、円の中心から直線までの距離を $d$ とすると、

  • $d>r$ ならば、異なる2点で交わる
  • $d=r$ ならば、1点で接する
  • $d<r$ ならば、共有点を持たない

異なる2点で交わる場合の交点の求め方の考え方

円の中心を $C$ 、2つの交点を $A,B$、点 $C$ から直線に向かって下ろした垂線と直線との交点を $H$ とすると、 点 $C$ から点 $A$ に向かうベクトルは、 $$\overrightarrow{CA}=\overrightarrow{CH}+\overrightarrow{HA}$$ となる。 よって、点 $A$ の座標は、点 $C$ の位置ベクトルを $\vec{c}$ とすると、 $$A=\vec{c}+\overrightarrow{CA}$$ で求める事ができる。

点 $C$ から点 $B$ に向かうベクトルは、
$$\overrightarrow{CB}=\overrightarrow{CH}-\overrightarrow{HA}$$
となる。
よって、点 $B$ の座標は、点 $C$ の位置ベクトルを $\vec{c}$ とすると、
$$B=\vec{c}+\overrightarrow{CB}$$
で求める事ができる。

異なる2点で交わる場合の交点の求め方

中心の座標が $(x_0,y_0)$ 半径 $r$ の円 $(x-x_0)^2+(y-y_0)^2=r^2$と、直線 $ax+by+c=0$ の交点を求める。

上記求め方の考え方により、まずベクトル $\overrightarrow{CH}, \overrightarrow{HA}$ を求める必要がある。

$\overrightarrow{CH}$ を求めるには、直線の法線ベクトル $\vec{n}$ の単位ベクトルに、点 $C$ から 点 $H$ までの距離 $s$ を掛けることで求める事ができる。

$\overrightarrow{HA}$ を求めるには、直線の方向ベクトル $\vec{d}$ の単位ベクトルに、点 $H$ から 点 $A$ までの距離 $t$ を掛けることで求める事ができる。

直線 $ax+by+c=0$ の法線ベクトル $\vec{n}$、方向ベクトル $\vec{d}$ はそれぞれ、
$$\vec{n}=(a,b) \ \ \ \ \ \ , \ \ \ \ \vec{d}=(-b,a)$$
となる。(直線のベクトル方程式 参照)

$\vec{n},\vec{d}$ の単位ベクトルは、$a,b$ の距離の逆数
$$\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2}}$$
を掛けることで求める事ができる。

$\vec{n}$ の単位ベクトルを $\vec{h}$ とすると、
$$\vec{h}=\vec{n}\cdot\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2}}=(a,b)\cdot\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2}}=\left(\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\right) \ \cdots \ ①$$
となる。

$\vec{d}$ の単位ベクトルを $\vec{k}$ とすると、
$$\vec{k}=\vec{d}\cdot\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2}}=(-b,a)\cdot\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2}}=\left(-\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}\right) \ \cdots \ ②$$
となる。

距離 $s$ は、 点と直線の距離の公式により、
$$s=\dfrac{\mid ax_0+by_0+c\mid}{\sqrt{a^2+b^2}}$$
$D=\mid ax_0+by_0+c\mid$ とおくと、(以降の計算で式が長くなるので)
$$s=\dfrac{D}{\sqrt{a^2+b^2}} \ \cdots \ ③$$
となる。

距離 $t$ は、三平方の定理より $r^2=s^2+t^2\ \dashrightarrow \ t^2=r^2-s^2$ よって、
$$t=\sqrt{r^2-s^2}$$
この式に上記の$s$の式を代入すると、
$$t=\sqrt{r^2-\left(\frac{D}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)^2}=\sqrt{r^2-\frac{D^2}{a^2+b^2}}=\frac{\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{\sqrt{a^2+b^2}} \ \cdots \ ④$$

式①、③により$\overrightarrow{CH}$は
$$\overrightarrow{CH}=s\vec{h}=\dfrac{D}{\sqrt{a^2+b^2}}\cdot\left(\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)=\left(\frac{aD}{a^2+b^2},\frac{bD}{a^2+b^2}\right)$$
式②、④により$\overrightarrow{HA}$は
$$\overrightarrow{HA}=t\vec{k}=\frac{\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{\sqrt{a^2+b^2}}\cdot\left(-\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)$$
$$=\left(-\frac{b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2},\frac{a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}\right)$$

ゆえに、
$\overrightarrow{CA}=\overrightarrow{CH}+\overrightarrow{HA}$ より、
$$\overrightarrow{CA}=\left(\frac{aD}{a^2+b^2},\frac{bD}{a^2+b^2}\right)+\left(-\frac{b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2},\frac{a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}\right)$$
$$=\left(\frac{aD-b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2},\frac{bD+a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}\right)ただし、D=\mid ax_0+by_0+c\mid$$
$\overrightarrow{CB}=\overrightarrow{CH}-\overrightarrow{HA}$ より、
$$\overrightarrow{CB}=\left(\frac{aD}{a^2+b^2},\frac{bD}{a^2+b^2}\right)-\left(-\frac{b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2},\frac{a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}\right)$$
$$=\left(\frac{aD+b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2},\frac{bD-a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}\right)ただし、D=\mid ax_0+by_0+c\mid$$

よって、点 $A$ の座標は、
$$A=\vec{c}+\overrightarrow{CA}=(x_0,y_0)+\left(\frac{aD-b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2},\frac{bD+a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}\right)$$
$$=\left(\frac{aD-b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+x_0,\frac{bD+a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+y_0\right)$$
$$ただし、D=\mid ax_0+by_0+c\mid$$
点 $B$ の座標は、
$$B=\vec{c}+\overrightarrow{CB}=(x_0,y_0)+\left(\frac{aD+b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2},\frac{bD-a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}\right)$$
$$=\left(\frac{aD+b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+x_0,\frac{bD-a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+y_0\right)$$
$$ただし、D=\mid ax_0+by_0+c\mid$$
で求めることができる。
また、直線 $ax+by+=0$ が正規化されている場合は、(直線の方程式を正規化する 参照)
$$A=\left(aD-b\sqrt{r^2-D^2}+x_0,bD+a\sqrt{r^2-D^2}+y_0\right)$$
$$B=\left(aD+b\sqrt{r^2-D^2}+x_0,bD-a\sqrt{r^2-D^2}+y_0\right)$$
$$ただし、D=\mid ax_0+by_0+c\mid$$
となる。

【例】中心(3,2) 半径 5 の円と、直線 3x+2y-16=0 の交点を求める

まず $D$ を求める $$D=\mid ax_0+by_0+c\mid=\mid 3\cdot3+2\cdot2-16\mid=\mid-3\mid=3$$ 点 $A$ の $x$ 座標を求める $$x_A=\frac{aD-b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+x_0=\frac{3\cdot3-2\sqrt{(3^2+2^2)5^2-3^2}}{3^2+2^2}+3$$ $$=\frac{9-2\sqrt{316}}{13}+3=\frac{48-4\sqrt{79}}{13}\fallingdotseq 0.957479$$ 点 $A$ の $y$ 座標を求める $$y_A=\frac{bD+a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+y_0=\frac{2\cdot3+3\sqrt{(3^2+2^2)5^2-3^2}}{3^2+2^2}+2$$ $$=\frac{6+3\sqrt{316}}{13}+2=\frac{32+6\sqrt{79}}{13}\fallingdotseq 6.563782$$ 点 $B$ の $x$ 座標を求める $$x_B=\frac{aD+b\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+x_0=\frac{3\cdot3+2\sqrt{(3^2+2^2)5^2-3^2}}{3^2+2^2}+3$$ $$=\frac{9+2\sqrt{316}}{13}+3=\frac{48+4\sqrt{79}}{13}\fallingdotseq 6.427137$$ 点 $B$ の $y$ 座標を求める $$y_B=\frac{bD-a\sqrt{(a^2+b^2)r^2-D^2}}{a^2+b^2}+y_0=\frac{2\cdot3-3\sqrt{(3^2+2^2)5^2-3^2}}{3^2+2^2}+2$$ $$=\frac{6-3\sqrt{316}}{13}+2=\frac{32-6\sqrt{79}}{13}\fallingdotseq -1.640705$$

したがって、
$$A=\left(\frac{48-4\sqrt{79}}{13}, \frac{32+6\sqrt{79}}{13} \right)\fallingdotseq (0.957479,6.563782)$$
$$B=\left(\frac{48+4\sqrt{79}}{13}, \frac{32-6\sqrt{79}}{13} \right)\fallingdotseq (6.427137,-1.640705)$$
となる。

1点で接する場合の交点の求め方

このときの交点を円と直線の接点、直線を円の接線という。

中心の座標が $(x_0,y_0)$ 半径 $r$ の円と、直線 $ax+by+c=0$ の位置関係が1点で接するとして、その接点 $H$ の座標を求める。

点 $H$ の座標は、点 $C$ の位置ベクトルを $\vec{c}$ とすると、
$$H=\vec{c}+\overrightarrow{CH}$$
となる。

$\overrightarrow{CH}$ を求めるには、直線の法線ベクトル $\vec{n}$ の単位ベクトルに、点 $C$ から 点 $H$ までの距離 $r$ すなわち、円の半径を掛けることで求める事ができる。

直線 $ax+by+c=0$ の法線ベクトル $\vec{n}$ は、
$$\vec{n}=(a,b)$$
直線のベクトル方程式 参照)

$\vec{n}$ の単位ベクトル $\vec{h}$ は上記 式①により、
$$\vec{h}=\vec{n}\cdot\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2}}=(a,b)\cdot\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2}}=\left(\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\right) \ \cdots \ ①$$
となる。

これにより$\overrightarrow{CH}$は
$$\overrightarrow{CH}=r\vec{h}=r\cdot\left(\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)=\left(\frac{ar}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{br}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)$$
となる。

したがって、点 $H$ の座標は
$$H=\vec{c}+\overrightarrow{CH}=(x_0,y_0)+\left(\frac{ar}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{br}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)=\left(\frac{ar}{\sqrt{a^2+b^2}}+x_0,\frac{br}{\sqrt{a^2+b^2}}+y_0\right)$$
で求める事ができる。

16
13
3

Register as a new user and use Qiita more conveniently

  1. You get articles that match your needs
  2. You can efficiently read back useful information
  3. You can use dark theme
What you can do with signing up
16
13

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?