二直線の交角の二等分線を求める

数学
(問題)
 \(ax^2+2hxy+by^2=0\) ヲ以テ表ハセレタル二直線ノ交角ヲ二等分スル直線ノ方程式ヲ求ム。
[昭和六年 東北帝大理]

( \(ax^2+2hxy+by^2=0\)で表される二直線の交角を二等分する直線の方程式を求めよ。)


\(ax^2+2hxy+by^2=0\) が二直線を表すので、\(h^2-ab>0\).

i) \(b=0(h\neq 0 ) \)のとき
\begin{align*}ax^2+2hxy=0  \Longleftrightarrow  x(ax+2hy)=0\end{align*}.
二直線 \(x=0 , ax+2hy=0\) の交角の二等分線上の点 \(X,Y\) が満たすべき条件は、
\begin{align*} \left| X \right| = \frac{\left| aX + 2hY \right|}{\sqrt{a^2 + (2h)^2}} &\Longleftrightarrow (a^2 + 4h^2)X^2 = a^2X^2 + 4ahXY + 4h^2Y^2\\\\ &\Longleftrightarrow hY^2 + ahXY – hX^2 = 0\\\\ &\Longleftrightarrow Y=\frac{-a±\sqrt{a^{2}+4h^{2}}}{2h}X. \end{align*}
ⅱ) \(b\neq 0 \)のとき
\begin{align*} bt^2 + 2ht + \alpha = 0 \end{align*}
の2解を \(\alpha,\beta (\alpha \neq 0 ) \) とすると、
\begin{align*} ax^2+2hxy + by^2 =0 \Longleftrightarrow (y-\alpha x)(y-\beta x)=0. \end{align*}
二直線 \(y − \alpha x = 0 , y − \beta x = 0 \) の交角の二等分線上の点 \((X, Y) \)が満たすべき条件は
\begin{align*} &\frac{|\alpha X − Y|}{\sqrt{\alpha ^{2} + 1}} = \frac{|−\beta X + Y|}{ \sqrt{\beta ^{2} + 1}}\\ \Longleftrightarrow &(\beta ^{2} + 1)(Y^{2} − 2\alpha XY + \alpha ^{2}X^{2}) = (\alpha ^{2} + 1)(Y^{2} − 2\beta XY + \beta^{2}X^{2})\\ \Longleftrightarrow &(\beta ^{2} − \alpha ^{2})Y^{2} + 2(−\alpha + \beta – \alpha \beta ^{2} + \alpha ^{2} \beta)XY + (\alpha ^{2} − \beta ^{2})X^{2} = 0\\ \Longleftrightarrow &(\alpha + \beta)Y^{2} + 2(1 − \alpha \beta)XY − (α + β)X^{2} = 0.  \cdots ① \end{align*}
\(\alpha + \beta = 0 (h=0) \) のとき、① \(\Longleftrightarrow X=0 , Y=0. \)
\(\alpha + \beta \neq 0 (h \neq 0) \) のとき、
\begin{align*} ① &\Longleftrightarrow -\frac{2h}{b}Y^{2} + 2\left(1-\frac{a}{b}\right)XY + \frac{2h}{b}X^{2} = 0 \\ &\Longleftrightarrow hY^{2} + (a – b)XY – hX^{2} = 0 \\ &\Longleftrightarrow Y = \frac{-a + b \pm \sqrt{(a – b)^{2} + 4h^{2}}}{2h} X \end{align*}
以上より、求める直線の方程式は、
\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} x=0 , y=0 &(h=0 , ab\lt 0) \\ y=\dfrac{-a + b \pm \sqrt{(a – b)^{2} + 4h^{2}}}{2h} x &(h\neq 0 , h^{2} \gt ab). \end{array} \right. \end{eqnarray}

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