[翻译]锥线几何(Geometry of Conics)第一章:二次曲线的诸基本性质1.4(I)

本文译自A. V. Akopyan, A. A. Zaslavsky, trans. Alex Martsinkovsky, Geometry of Conics, American Mathematical Society, 2007.
翻译:野吕侯奈因
仅供学习交流使用
译者按:
本书在几何爱好者之间小有人气,但目前网上只能找到一些零散的翻译.鉴于目前通行的数学教学中对于二次曲线问题的处理方式过于单一,希望能借翻译本书的机会来推广一下二次曲线的射影几何视角.

1.4. 圆锥曲线中的等角(isogonal)关系
光学性质为许多神奇的结论提供了简单的证明方式.
定理1.3. 过椭圆外一点引椭圆的两条切线,切点为
与
.则有
(
和
为椭圆的两焦点).
(译者注:该定理也被称作彭赛列小定理(Poncelet's little theorem).)
证明. 分别作出、
关于
和
的对称点
、
(图1.15).

则有及
.且
、
和
三点共线(由光学性质).对于
、
和
也同理.故有
.因此
(由SSS判定).于是就有
故可得
.
(作者注:在此只针对和
在
内部且
在
内部的情况.不过其余情况证法也类似.)
(译者注:在此给出两种不同情况的直观形式,证明基本与上文一致,就不赘述了.(图e)(图f))


图1.6展示了在双曲线中的类似性质。

(作者注:读者应自行思考切点位于同支和异支的两种情况.)
(译者注:切点位于异支的情况如下.在此也是只给出其直观形式,证明可仿定理1.3(图g).)

作出与相切的以
、
为两焦点的椭圆或双曲线.则有以下结论:
、
、
.
(译者注:由定理1.3,上述结论是显然的,在此给出几个直观形式(图h;图i).不过对于双曲线,有时其中一角的相等关系也会变为互补关系,这是切点与切线交点的相对位置不同导致的.(图j))



我们将会在2.3中详细介绍以下内容:在平面中,对于几乎任意的(存在少数例外)点都有唯一的一点
使得以
、
为焦点的圆锥曲线与一三角形的每条边都相切.其中的
就叫做
关于某个三角形的等角共轭点(isogonal conjugate).
另外,证明定理1.3用到的辅助线也带来了另一个有趣的结论.由,有
.故可得
.
(译者注:见图1.15)
于是我们也就能证明以下定理1.3的延伸结论.
定理1.4. 沿用定理1.3的记号,有直线平分
(图1.17)

定理1.5. 过一点引一给定椭圆的两条切线,若两条切线垂直,则该点轨迹为一个以椭圆中心为圆心的圆.(图1.18)
(译者注:该圆也被称为蒙日圆(monge's circle)或准圆(director circle))

证明. 设椭圆焦点为、
,两切线切椭圆于点
、
并交于点
.作出
关于
的对称点
.由定理1.3有
且
,即
长度等于椭圆的长轴长(拴住山羊的绳长).而当且仅当
(由勾股定理)时
才为直角.因此当且仅当
的值等于长轴长的平方时
才为直角.不难发现该条件将点的运动轨迹限制在一个圆内.实际上,若是在平面直角坐标系中设
坐标为
,
坐标为
,则有点
满足
,其中
为长轴长的平方.而不难发现其中
和
项的系数相等(都为2)且
项的系数为零,故满足该条件的点的集合为圆.由对称性,不难发现其圆心为线段
的中点.
对于双曲线,这个圆就不总存在了.当双曲线的两渐近线夹锐角时,此圆的半径就会呈虚数.而两渐近线恰垂直时,此圆又会退化为双曲线的中心这一个点.
例. 给定一系列点及系数
与
,则有满足
的点
的轨迹为一个圆,该圆被称作费马-阿波罗尼斯圆(Fermat-Apollonius circle).显然,有时此圆半径会呈虚数(试问何时取得?).
(译者注:首先,经整理,原方程中和
项的系数都为
且
项的系数为零,故满足该条件的点的集合为圆.其次,若设
在平面直角坐标系中对应的坐标为
,则有当
时半径呈虚数.)