点 $\mathrm P(x,y,z)$ が円錐面上にあるとする. このとき, $\vec d\cdot\overrightarrow{\mathrm{OP}} = |\vec d||\overrightarrow{\mathrm{OP}}|\cos\alpha$ から, \[\begin{aligned} (\vec d\cdot\overrightarrow{\mathrm{OP}})^2 &= |\vec d|^2|\overrightarrow{\mathrm{OP}}|^2\cos ^2\alpha \\ (x+mz)^2 &= (1+m^2)(x^2+y^2+z^2)\cos ^2\alpha \end{aligned}\] が成り立つ. この点 $\mathrm P$ が平面 $z = k$ 上にあるとき, \[\begin{aligned} &(x+mk)^2 = (1+m^2)(x^2+y^2+k^2)\cos ^2\alpha, \\ &\{ (1+m^2)\cos ^2\alpha -1\} x^2-2mkx+(1+m^2)\cos ^2\alpha\cdot y^2 \\ &\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad = \{ m^2-(1+m^2)\cos ^2\alpha\} k^2, \\ &(m^2\cos ^2\alpha -\sin ^2\alpha )x^2-2mkx+(1+m^2)\cos ^2\alpha\cdot y^2 \\ &\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad = (m^2\sin ^2\alpha -\cos ^2\alpha )k^2 \end{aligned}\] が成り立つ. \[\begin{aligned} A &= m^2\cos ^2\alpha -\sin ^2\alpha, \\ B &= (1+m^2)\cos ^2\alpha, \\ C &= m^2\sin ^2\alpha -\cos ^2\alpha \end{aligned}\] とおくと, これは \[ Ax^2-2mkx+By^2 = Ck^2 \quad \cdots [1]\] と表される.

(i)

$\tan\alpha = m$ のとき. $A = 0$ から \[ [1] \iff x = \frac{B}{2mk}y^2-\frac{Ck}{2m}\] であるので, 切断面は放物線になる.

　一方, $\tan\alpha \neq m$ のとき. $A \neq 0$ から, \[\begin{aligned} [1] &\iff \frac{A^2}{k^2}x^2-\frac{2Am}{k}x+\frac{AB}{k^2}y^2 = AC \\ &\iff \frac{A^2}{k^2}\left( x-\frac{mk}{A}\right) ^2+\frac{AB}{k^2}y^2 = AC+m^2 \quad \cdots [2] \end{aligned}\] となる. ここで, \[\begin{aligned} &AC+m^2 \\ &= (m^2\cos ^2\alpha -\sin ^2\alpha)(m^2\sin ^2\alpha -\cos ^2\alpha )+m^2 \\ &= m^4\sin ^2\alpha\cos ^2\alpha -m^2\cos ^4\alpha -m^2\sin ^4\alpha \\ &\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad +\sin ^2\alpha\cos ^2\alpha +m^2 \\ &= (1+m^4)\sin ^2\alpha\cos ^2\alpha -m^2(\cos ^4\alpha +\sin ^4\alpha -1) \\ &= (1+m^4)\sin ^2\alpha\cos ^2\alpha \\ &\qquad -m^2\{ (\cos ^2\alpha +\sin ^2\alpha )^2-2\sin ^2\alpha\cos ^2\alpha -1\} \\ &= (1+2m^2+m^4)\sin ^2\alpha\cos ^2\alpha \\ &= (1+m^2)^2\sin ^2\alpha\cos ^2\alpha > 0 \end{aligned}\] である.

(ii)

$\tan\alpha < m$ のとき. $[2]$ において $A > 0$ よって $A^2 > 0,$ $AB > 0$ であるから, 切断面は楕円の周である.

(iii)

$\tan\alpha > m$ のとき. $[2]$ において $A < 0$ よって $A^2 > 0,$ $AB < 0$ であるから, 切断面は双曲線である.

　点 $\mathrm P$ の座標を $(x,y),$ 点 $\mathrm P$ から $y$ 軸に下ろした垂線の足を $\mathrm H$ とおき, 点 $\mathrm P$ の軌跡を $C$ とおく. このとき, \[\begin{aligned} \mathrm P \in C &\iff \mathrm{FP}:\mathrm{HP} = e:1 \\ &\iff \mathrm{FP} = e\mathrm{HP} \\ &\iff \mathrm{FP}^2 = e^2\mathrm{HP}^2 \\ &\iff (x-c)^2+y^2 = e^2x^2 \\ &\iff (1-e^2)x^2-2cx+y^2+c^2 = 0 \quad \cdots [\ast ] \end{aligned}\] となる.

(i)

$e = 1$ のとき. $[\ast ]$ は, $y^2 = 2cx-c^2$ となるから, 放物線を表す.

(ii)

$e \neq 1$ のとき. $[\ast ]$ は \[\frac{\left( x-\dfrac{c}{1-e^2}\right) ^2}{\dfrac{c^2e^2}{(1-e^2)^2}}+\frac{y^2}{\dfrac{c^2e^2}{1-e^2}} = 1\] と変形できる. よって, $\dfrac{c^2e^2}{(1-e^2)^2} > 0$ に注意すると, $[\ast ]$ は, $0 < e < 1\ \left(\dfrac{c^2e^2}{1-e^2} > 0\right)$ のとき楕円を表し, $e > 1\ \left(\dfrac{c^2e^2}{1-e^2} < 0\right)$ のとき双曲線を表す.

(i), (ii) から, 点 $\mathrm P$ の軌跡は, $0 < e < 1$ のとき楕円, $e = 1$ のとき放物線, $e > 1$ のとき双曲線で, その方程式はいずれの場合にも $[\ast ]$ で与えられる.