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[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)

2023-08-13 16:26 作者:瀰㴉夃  | 我要投稿

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P引椭圆的两条切线,切点为XY.则有%5Cangle%20F_1PX%3D%5Cangle%20F_2PYF_1F_2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F_1F_2关于PXPY的对称点F'_1F'_2(图1.15).

图1.15

       则有PF'_1%3DPF_1PF'_2%3DPF_2.且F_1YF'_2三点共线(由光学性质).对于F_2XF'_1也同理.故有F_2F'_1%3DF_2X%2BXF_1%3DF_2Y%2BYF_1%3DF'_2F_1.因此%5Ctriangle%20PF_2F'_1%5Ccong%5Ctriangle%20PF_1F'_2(由SSS判定).于是就有%5Cangle%20F_2PF_1%2B2%5Cangle%20F_1PX%3D%5Cangle%20F_2PF'_1%3D%5Cangle%20F_1PF'_2%3D%5Cangle%20F_1PF_2%2B2%5Cangle%20F_2PY.故可得%5Cangle%20F_1PX%3D%5Cangle%20F_2PY%5Csquare

(作者注:在此只针对F_1F_2%5Cangle%20F'_1PF'_2内部且F_1%5Cangle%20F_2PF'_1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e
图f

           图1.6展示了在双曲线中的类似性质。

图1.6

(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).)

图g

        作出与%5Ctriangle%20ABC相切的以F_1F_2为两焦点的椭圆或双曲线.则有以下结论:%5Cangle%20BAF_1%3D%5Cangle%20CAF_2%5Cangle%20ABF_1%3D%5Cangle%20CBF_2%5Cangle%20ACF_1%3D%5Cangle%20BCF_2

(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))

图h
图i
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X都有唯一的一点Y使得以XY为焦点的圆锥曲线与一三角形的每条边都相切.其中的Y就叫做X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%5Ctriangle%20PF_2F'_1%5Ccong%5Ctriangle%20PF'_2F_1,有%5Cangle%20PF'_1F_2%3D%5Cangle%20PF_1F'_2.故可得%5Cangle%20PF_1X%3D%5Cangle%20PF'_1F_2%3D%5Cangle%20PF_1F'_2%3D%5Cangle%20PF_1Y

(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F_1P平分%5Cangle%20XF_1Y(图1.17)

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)准圆(director circle)

图1.18

证明. 设椭圆焦点为F_1F_2,两切线切椭圆于点XY并交于点P.作出F_1关于PX的对称点F'_1.由定理1.3有%5Cangle%20XPY%3D%5Cangle%20F'_1PF_2F'_1F_2%3DF_1X%2BF_2X,即F'_1F_2长度等于椭圆的长轴长(拴住山羊的绳长).而当且仅当F'_1P%5E2%2BF_2P%5E2%3DF'_1F_2%5E2(由勾股定理)时%5Cangle%20F'_1PF_2才为直角.因此当且仅当F'_1P%5E2%2BF_2P%5E2的值等于长轴长的平方时%5Cangle%20XPY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F_1坐标为(x_1%2Cy_1)F_2坐标为(x_2%2Cy_2),则有点P满足(x-x_1)%5E2%2B(y-y_1)%5E2%2B(x-x_2)%5E2%2B(y-y_2)%5E2%3DC,其中C为长轴长的平方.而不难发现其中x%5E2y%5E2项的系数相等(都为2)且xy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F_1F_2的中点.%5Csquare

       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P_1%2C...%2CP_n及系数k_1%2C...%2Ck_nC,则有满足k_1XP_1%5E2%2B...%2Bk_nXP_n%5E2%3DC的点X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x%5E2y%5E2项的系数都为%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5Enk_ixy项的系数为零,故满足该条件的点的集合为圆.其次,若设P_i在平面直角坐标系中对应的坐标为(x_i%2Cy_i),则有当C%3C%5Cfrac%7B(%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5Enk_ix_i)%5E2%2B(%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5Enk_iy_i)%5E2%7D%7B%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5Enk_i%7D时半径呈虚数.)

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