2.3 Эллипс
Эллипсом называется геометрическое место точек, сумма расстояний которых до двух данных точек, называемых фокусами, есть величина постоянная (больше расстояния между фокусами).
Обозначим фокусы эллипса через F1 и F2 (рисунок 2.1), а расстояние между ними через 2С
Примем за ось абсцисс прямую, соединяющую фокусы, выбрав на ней положительное направление от F2 к F1; начало координат возьмем в середине отрезка F1F2 между фокусами. Тогда координаты точек F1 и F2 будут, соответственно, (С, 0) и (–С, 0).
Обозначим сумму расстояний точек эллипса от фокусов через 2А. По определению эллипса имеем
Расписав покоординатно данное равенство, после несложных преобразований получим каноническое уравнение эллипса.
Каноническое уравнение эллипса в выбранной системе координат с данными обозначениями имеет вид
(2.4)
Кривые второго порядка
Кривая второго порядка — это некоторая линия на плоскости, которая в декартовой системе координат задается общим уравнением:
Имеем дело с уравнением второй степени, в котором коэффициенты при старших членах — при вторых степенях одновременно не нули.
или можно встретить следующую форму записи:
К кривым второго порядка относятся окружность, эллипс, гипербола и парабола.
Покажем на примере определение значений коэффициентов.
Рассмотрим кривую второго порядка:
Вычислим определитель из коэффициентов:
Если Δ = 0, кривая второго порядка параболического типа,
если Δ > 0, кривая второго порядка эллиптического типа,
если Δ F1 и F2 — фокусы.
Парабола — множество точек на плоскости для каждой из которых расстояние до данной точки F равно расстоянию до данной прямой f.
F — фокус параболы, f — директриса параболы.
Эллипс
Определение эллипса.
Напомним, что мы назвали эллипсом линию, которая в некоторой декартовой прямоугольной системе координат определяется каноническим уравнением
$$
\frac
$$
при условии \(a \geq b > 0\).
Из уравнения \eqref
Точки пересечения эллипса с осями канонической системы координат, имеющие координаты \((a, 0)\), \((-a, 0)\), \((0, b)\) и \((0, -b)\), называются вершинами эллипса. Числа \(a\) и \(b\) называются соответственно большой и малой полуосями эллипса.
Рис. 8.1. Эллипс
В каноническое уравнение входят только квадраты координат. Поэтому, если координаты \((x, y)\) какой-либо точки /(M) ему удовлетворяют, то ему удовлетворяют и координаты \((-x, y)\), \((x, -y)\) и \((-x, -y)\) точек \(M_<1>\), \(M_<2>\) и \(M_<3>\) (рис. 8.1). Следовательно, справедливо следующее утверждение.
Оси канонической системы координат являются осями симметрии эллипса, а начало канонической системы — его центром симметрии.
Внешний вид эллипса проще всего описать сравнением с окружностью радиуса \(a\) с центром в центре эллипса: \(x^<2>+y^<2>=a^<2>\). При каждом \(x\) таком, что \(|x| Рис. 8.2. Сжатие окружности к эллипсу. Ординаты всех точек уменьшаются в отношении \(b/a\).
Фокусы, эксценриситет и директрисы эллипса.
У эллипса есть две замечательные точки, которые называются его фокусами.
Фокусами называются точки \(F_<1>\) и \(F_<2>\) с координатами \((c, 0)\) и \((-c, 0)\) в канонической системе координат (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Фокусы эллипса.
Для окружности \(c=0\), и оба фокуса совпадают с центром. Ниже мы будем предполагать, что эллипс не является окружностью.
Отметим, что \(\varepsilon Утверждение 2.
Расстояние от произвольной точки \(M(x, y)\), лежащей на эллипсе, до каждого из фокусов (рис. 8.3) является линейной функцией от ее абсциссы \(x\):
$$
r_<1>=|F_<1>M|=a-\varepsilon x,\ r_<2>=|F_<2>M|=a+\varepsilon x.\label
$$
Очевидно, что \(r_<1>^<2>=(x-c)^<2>+y^<2>\). Подставим сюда выражение для \(y^<2>\), найденное из уравнения эллипса. Мы получим
$$
r_<1>^<2>=x^<2>-2cx+c^<2>+b^<2>-\fracx^<2>>>.\nonumber
$$
Учитывая равенство \eqref
$$
r_<1>^<2>=a^<2>-2cx+\frac
$$
Так как \(x \leq a\) и \(\varepsilon Утверждение 3.
Для того чтобы точка лежала на эллипсе, необходимо и достаточно, чтобы сумма ее расстояний до фокусов равнялась большой оси эллипса \(2a\).
Необходимость. Если мы сложим равенства \eqref
$$
r_<1>+r_<2>=2a.\label
$$
Достаточность. Пусть для точки \(M(x, y)\) выполнено условие \eqref
$$
\sqrt<(x-c)^<2>+y^<2>>=2a-\sqrt<(x+c)^<2>+y^<2>>.\nonumber
$$
Возведем обе части равенства в квадрат и приведем подобные члены:
$$
xc+a^<2>=a\sqrt<(x+c)^<2>+y^<2>>.\label
$$
Это равенство также возведем в квадрат и приведем подобные члены, используя соотношение \eqref
Рис. 8.4. Фокусы и директрисы эллипса.
Для того чтобы точка лежала на эллипсе, необходимо и достаточно, чтобы отношение ее расстояния до фокуса к расстоянию до соответствующей директрисы равнялось эксцентриситету эллипса \(\varepsilon\).
Уравнение касательной к эллипсу.
Выведем уравнение касательной к эллипсу, заданному каноническим уравнением. Пусть \(M_<0>(x_<0>, y_<0>)\) — точка на эллипсе и \(y_ <0>\neq 0\). Через \(M_<0>\) проходит график некоторой функции \(y=f(x)\), который целиком лежит на эллипсе. (Для \(y_ <0>> 0\) это график \(f_<1>(x)=b\sqrt<1-x^<2>/a^<2>>\), для \(y_ <0>Утверждение 5.
Касательная к эллипсу в точке \(M_<0>(x_<0>, y_<0>)\) есть биссектриса угла, смежного с углом между отрезками, соединяющими эту точку с фокусами.
Рис. 8.5.
http://matecos.ru/mat/matematika/krivye-vtorogo-poryadka.html
http://univerlib.com/analytic_geometry/second_order_lines_and_surfaces/ellipse/