Найдите геометрическое место точек плоскости, для которых отношение расстояний до двух данных прямых равно заданному положительному числу k; разберите отдельно случаи пересекающихся и параллельных прямых, постройте общее доказательство и свяжите выводы с понятиями биссектрис и гомотетии.
Решение давайте в двух случаях. Пусть даны прямые l1,l2l_1,l_2l1,l2 и положительное число kkk. Обозначим расстояния от точки PPP до l1,l2l_1,l_2l1,l2 через d1,d2d_1,d_2d1,d2. Условие: d1d2=k\dfrac{d_1}{d_2}=kd2d1=k. 1) Пересекающиеся прямые. Пусть OOO --- точка пересечения, координатная система с центром в OOO, пусть l1l_1l1 --- ось OxOxOx, а l2l_2l2 образует с l1l_1l1 угол α\alphaα. Для точки в полярных координатах (r,θ)(r,\theta)(r,θ)d1=∣rsinθ∣,d2=∣rsin(θ−α)∣.
d_1=|r\sin\theta|,\qquad d_2=|r\sin(\theta-\alpha)|. d1=∣rsinθ∣,d2=∣rsin(θ−α)∣.
Условие даёт (знак абсолютных значений учтём через два случая) ∣sinθ∣=k ∣sin(θ−α)∣.
|\sin\theta|=k\,|\sin(\theta-\alpha)|. ∣sinθ∣=k∣sin(θ−α)∣.
Рассмотрим знаки отдельно: либо sinθ=ksin(θ−α),
\sin\theta=k\sin(\theta-\alpha), sinθ=ksin(θ−α),
либо sinθ=− ksin(θ−α).
\sin\theta=-\,k\sin(\theta-\alpha). sinθ=−ksin(θ−α).
Раскрывая синусы и перенося члены, получаем для первого случая sinθ(1−kcosα)=−kcosθsinα⇒tanθ=− ksinα1−kcosα,
\sin\theta(1-k\cos\alpha)=-k\cos\theta\sin\alpha \quad\Rightarrow\quad \tan\theta=-\,\frac{k\sin\alpha}{1-k\cos\alpha}, sinθ(1−kcosα)=−kcosθsinα⇒tanθ=−1−kcosαksinα,
для второго случая tanθ=ksinα1+kcosα.
\tan\theta=\frac{k\sin\alpha}{1+k\cos\alpha}. tanθ=1+kcosαksinα.
Каждая из этих формул задаёт одно значение θ\thetaθ по модулю π\piπ, т.е. одну прямую через OOO (две противоположные луча). Следовательно, геометрическое место точек --- две прямые, проходящие через точку пересечения OOO. В частном случае k=1k=1k=1 обе формулы дают биссектрисы угла между l1l_1l1 и l2l_2l2 (внутреннюю и внешнюю): это классический факт о равенстве расстояний до двух прямых. Комментарии: для общего kkk получившиеся прямые являются изогоналами (симметричны относительно биссектрис) и отвечают фиксированному углу θ\thetaθ — таким образом они связаны с понятием угловых биссектрис; если k=1k=1k=1 это именно биссектрисы. Понятие гомотетии здесь проявляется в том, что соотношение расстояний не зависит от радиуса rrr — условие определяется только направлением OPOPOP, т.е. точкой центра подобия (здесь центром является OOO) и отношением масштабов вдоль разных направлений (аналогично подобию/гомотетии с поворотом). 2) Параллельные прямые. Пусть прямые параллельны и расстояние между ними DDD. Возьмём ось OyOyOy перпендикулярную прямым, пусть уравнения прямых y=0y=0y=0 (l1l_1l1) и y=Dy=Dy=D (l2l_2l2). Тогда для точки с координатой yyyd1=∣y∣,d2=∣D−y∣.
d_1=|y|,\qquad d_2=|D-y|. d1=∣y∣,d2=∣D−y∣.
Решаем ∣y∣=k∣D−y∣|y|=k|D-y|∣y∣=k∣D−y∣. При положении точки между прямыми (0<y<D0<y<D0<y<D) имеем y=k(D−y)⇒y=kD1+k,
y=k(D-y)\quad\Rightarrow\quad y=\frac{kD}{1+k}, y=k(D−y)⇒y=1+kkD,
это одна прямая, параллельная данным. Для точек вне промежутка (y>Dy>Dy>D или y<0y<0y<0) даёт другое решение y=k(y−D)⇒y=kDk−1,
y=k(y-D)\quad\Rightarrow\quad y=\frac{kD}{k-1}, y=k(y−D)⇒y=k−1kD,
при k≠1k\ne1k=1 — вторая прямая (параллельная исходным). При k=1k=1k=1 остаётся единственная середина y=D2y=\dfrac{D}{2}y=2D. Итак, геометрическое место: две прямые, параллельные данным (вырождено в одну при k=1k=1k=1). Связь с гомотетией: параллельный случай интерпретируется как гомотетия с центром на бесконечности (смещение вдоль нормали) — множитель гомотетии задаёт положение линий, поэтому линии-решения остаются параллельны данным. В пересекающемся случае центр гомотетии конечен (точка пересечения OOO); решение даёт прямые из лучевого пучка с центром в OOO. Итог: для пересекающихся прямых множество точек с d1/d2=kd_1/d_2=kd1/d2=k — две прямые через точку пересечения; для параллельных — две прямые, параллельные данным (при k=1k=1k=1 в обоих случаях вырождено в биссектрису или серединную линию).
1) Пересекающиеся прямые. Пусть OOO --- точка пересечения, координатная система с центром в OOO, пусть l1l_1l1 --- ось OxOxOx, а l2l_2l2 образует с l1l_1l1 угол α\alphaα. Для точки в полярных координатах (r,θ)(r,\theta)(r,θ) d1=∣rsinθ∣,d2=∣rsin(θ−α)∣. d_1=|r\sin\theta|,\qquad d_2=|r\sin(\theta-\alpha)|.
d1 =∣rsinθ∣,d2 =∣rsin(θ−α)∣. Условие даёт (знак абсолютных значений учтём через два случая)
∣sinθ∣=k ∣sin(θ−α)∣. |\sin\theta|=k\,|\sin(\theta-\alpha)|.
∣sinθ∣=k∣sin(θ−α)∣. Рассмотрим знаки отдельно: либо
sinθ=ksin(θ−α), \sin\theta=k\sin(\theta-\alpha),
sinθ=ksin(θ−α), либо
sinθ=− ksin(θ−α). \sin\theta=-\,k\sin(\theta-\alpha).
sinθ=−ksin(θ−α). Раскрывая синусы и перенося члены, получаем для первого случая
sinθ(1−kcosα)=−kcosθsinα⇒tanθ=− ksinα1−kcosα, \sin\theta(1-k\cos\alpha)=-k\cos\theta\sin\alpha
\quad\Rightarrow\quad
\tan\theta=-\,\frac{k\sin\alpha}{1-k\cos\alpha},
sinθ(1−kcosα)=−kcosθsinα⇒tanθ=−1−kcosαksinα , для второго случая
tanθ=ksinα1+kcosα. \tan\theta=\frac{k\sin\alpha}{1+k\cos\alpha}.
tanθ=1+kcosαksinα . Каждая из этих формул задаёт одно значение θ\thetaθ по модулю π\piπ, т.е. одну прямую через OOO (две противоположные луча). Следовательно, геометрическое место точек --- две прямые, проходящие через точку пересечения OOO. В частном случае k=1k=1k=1 обе формулы дают биссектрисы угла между l1l_1l1 и l2l_2l2 (внутреннюю и внешнюю): это классический факт о равенстве расстояний до двух прямых.
Комментарии: для общего kkk получившиеся прямые являются изогоналами (симметричны относительно биссектрис) и отвечают фиксированному углу θ\thetaθ — таким образом они связаны с понятием угловых биссектрис; если k=1k=1k=1 это именно биссектрисы. Понятие гомотетии здесь проявляется в том, что соотношение расстояний не зависит от радиуса rrr — условие определяется только направлением OPOPOP, т.е. точкой центра подобия (здесь центром является OOO) и отношением масштабов вдоль разных направлений (аналогично подобию/гомотетии с поворотом).
2) Параллельные прямые. Пусть прямые параллельны и расстояние между ними DDD. Возьмём ось OyOyOy перпендикулярную прямым, пусть уравнения прямых y=0y=0y=0 (l1l_1l1 ) и y=Dy=Dy=D (l2l_2l2 ). Тогда для точки с координатой yyy d1=∣y∣,d2=∣D−y∣. d_1=|y|,\qquad d_2=|D-y|.
d1 =∣y∣,d2 =∣D−y∣. Решаем ∣y∣=k∣D−y∣|y|=k|D-y|∣y∣=k∣D−y∣. При положении точки между прямыми (0<y<D0<y<D0<y<D) имеем
y=k(D−y)⇒y=kD1+k, y=k(D-y)\quad\Rightarrow\quad y=\frac{kD}{1+k},
y=k(D−y)⇒y=1+kkD , это одна прямая, параллельная данным. Для точек вне промежутка (y>Dy>Dy>D или y<0y<0y<0) даёт другое решение
y=k(y−D)⇒y=kDk−1, y=k(y-D)\quad\Rightarrow\quad y=\frac{kD}{k-1},
y=k(y−D)⇒y=k−1kD , при k≠1k\ne1k=1 — вторая прямая (параллельная исходным). При k=1k=1k=1 остаётся единственная середина y=D2y=\dfrac{D}{2}y=2D . Итак, геометрическое место: две прямые, параллельные данным (вырождено в одну при k=1k=1k=1).
Связь с гомотетией: параллельный случай интерпретируется как гомотетия с центром на бесконечности (смещение вдоль нормали) — множитель гомотетии задаёт положение линий, поэтому линии-решения остаются параллельны данным. В пересекающемся случае центр гомотетии конечен (точка пересечения OOO); решение даёт прямые из лучевого пучка с центром в OOO.
Итог: для пересекающихся прямых множество точек с d1/d2=kd_1/d_2=kd1 /d2 =k — две прямые через точку пересечения; для параллельных — две прямые, параллельные данным (при k=1k=1k=1 в обоих случаях вырождено в биссектрису или серединную линию).