Кейс в аналитической геометрии: в системе координат заданы две параллельные прямые и семейство окружностей фиксированного радиуса r, касающихся обеих прямых; опишите координаты центров, найдите условия пересечения таких окружностей с заданной третьей прямой
Коротко и по шагам. 1) Запись прямых. Пусть две параллельные прямые заданы в общем виде ℓ1: ax+by+c1=0,ℓ2: ax+by+c2=0,
\ell_1:\; a x+b y+c_1=0,\qquad \ell_2:\; a x+b y+c_2=0, ℓ1:ax+by+c1=0,ℓ2:ax+by+c2=0,
нормировка не требуется. 2) Расстояние между прямыми: d=∣c2−c1∣a2+b2.
d=\frac{|c_2-c_1|}{\sqrt{a^2+b^2}}. d=a2+b2∣c2−c1∣. 3) Условие существования окружности радиуса rrr, касающейся обеих прямых. Для центра C=(x0,y0)C=(x_0,y_0)C=(x0,y0) требуется равенство расстояний до обеих прямых ∣ax0+by0+c1∣/a2+b2=∣ax0+by0+c2∣/a2+b2=r|ax_0+by_0+c_1|/\sqrt{a^2+b^2}=|ax_0+by_0+c_2|/\sqrt{a^2+b^2}=r∣ax0+by0+c1∣/a2+b2=∣ax0+by0+c2∣/a2+b2=r. Это возможно лишь при r=d2=∣c2−c1∣2a2+b2.
r=\frac{d}{2}=\frac{|c_2-c_1|}{2\sqrt{a^2+b^2}}. r=2d=2a2+b2∣c2−c1∣.
Если r≠d/2r\neq d/2r=d/2, то окружностей радиуса rrr, касающихся обеих параллельных прямых, нет. 4) Координаты центров (случай r=d/2r=d/2r=d/2). Все центры лежат на средней прямой, параллельной данным: ℓm: ax+by+c1+c22=0.
\ell_m:\; a x+b y+\frac{c_1+c_2}{2}=0. ℓm:ax+by+2c1+c2=0.
Её можно параметризовать, взяв некоторую точку P0P_0P0 на ℓm\ell_mℓm и вектор направления v=(−b,a)v=(-b,a)v=(−b,a) (параллельно данным прямым): C(t)=P0+t(−b,a),t∈R.
C(t)=P_0+t(-b,a),\qquad t\in\mathbb{R}. C(t)=P0+t(−b,a),t∈R.
(Например, если b≠0b\neq0b=0, можно взять P0=(0,−(c1+c2)/(2b))P_0=(0,-(c_1+c_2)/(2b))P0=(0,−(c1+c2)/(2b)).) 5) Условие пересечения с третьей прямой. Пусть третья прямая задана ℓ3: a3x+b3y+c3=0,S=a32+b32.
\ell_3:\; a_3 x+b_3 y+c_3=0,\qquad S=\sqrt{a_3^2+b_3^2}. ℓ3:a3x+b3y+c3=0,S=a32+b32.
Окружность с центром C(t)C(t)C(t) радиуса rrr пересекает ℓ3\ell_3ℓ3 тогда и только тогда, когда расстояние от центра до ℓ3\ell_3ℓ3 не превосходит rrr: ∣a3x(t)+b3y(t)+c3∣S≤r.
\frac{|a_3 x(t)+b_3 y(t)+c_3|}{S}\le r. S∣a3x(t)+b3y(t)+c3∣≤r.
Поставив f(t)=a3x(t)+b3y(t)+c3=αt+βf(t)=a_3 x(t)+b_3 y(t)+c_3=\alpha t+\betaf(t)=a3x(t)+b3y(t)+c3=αt+β, где α=a3(−b)+b3a,β=a3x0+b3y0+c3,
\alpha=a_3(-b)+b_3 a,\qquad \beta=a_3 x_0+b_3 y_0+c_3, α=a3(−b)+b3a,β=a3x0+b3y0+c3,
получаем линейное неравенство ∣αt+β∣≤rS.
|\alpha t+\beta|\le rS. ∣αt+β∣≤rS.
Если α≠0\alpha\neq0α=0, это даёт отрезок параметров t∈[−β−rSα, −β+rSα]
t\in\left[\frac{-\beta-rS}{\alpha},\;\frac{-\beta+rS}{\alpha}\right] t∈[α−β−rS,α−β+rS]
(порядок концов меняется при α<0\alpha<0α<0). Если α=0\alpha=0α=0 (т.е. ℓ3\ell_3ℓ3 параллельна ℓ1,ℓ2\ell_1,\ell_2ℓ1,ℓ2), то либо для всех ttt выполняется пересечение (когда ∣β∣≤rS|\beta|\le rS∣β∣≤rS), либо ни для какого ttt (когда ∣β∣>rS|\beta|>rS∣β∣>rS); случай ∣β∣=rS|\beta|=rS∣β∣=rS — касание для всех центров. 6) Итог: окружности радиуса rrr, касающиеся обеих параллельных прямых, существуют только если r=d/2r=d/2r=d/2; их центры описывает средняя прямая ℓm\ell_mℓm. Для каждой точки C(t)C(t)C(t) на этой прямой пересечение с третьей прямой эквивалентно неравенству ∣αt+β∣≤rS|\alpha t+\beta|\le rS∣αt+β∣≤rS с указанными α,β,S\alpha,\beta,Sα,β,S.
1) Запись прямых. Пусть две параллельные прямые заданы в общем виде
ℓ1: ax+by+c1=0,ℓ2: ax+by+c2=0, \ell_1:\; a x+b y+c_1=0,\qquad \ell_2:\; a x+b y+c_2=0,
ℓ1 :ax+by+c1 =0,ℓ2 :ax+by+c2 =0, нормировка не требуется.
2) Расстояние между прямыми:
d=∣c2−c1∣a2+b2. d=\frac{|c_2-c_1|}{\sqrt{a^2+b^2}}.
d=a2+b2 ∣c2 −c1 ∣ .
3) Условие существования окружности радиуса rrr, касающейся обеих прямых. Для центра C=(x0,y0)C=(x_0,y_0)C=(x0 ,y0 ) требуется равенство расстояний до обеих прямых ∣ax0+by0+c1∣/a2+b2=∣ax0+by0+c2∣/a2+b2=r|ax_0+by_0+c_1|/\sqrt{a^2+b^2}=|ax_0+by_0+c_2|/\sqrt{a^2+b^2}=r∣ax0 +by0 +c1 ∣/a2+b2 =∣ax0 +by0 +c2 ∣/a2+b2 =r. Это возможно лишь при
r=d2=∣c2−c1∣2a2+b2. r=\frac{d}{2}=\frac{|c_2-c_1|}{2\sqrt{a^2+b^2}}.
r=2d =2a2+b2 ∣c2 −c1 ∣ . Если r≠d/2r\neq d/2r=d/2, то окружностей радиуса rrr, касающихся обеих параллельных прямых, нет.
4) Координаты центров (случай r=d/2r=d/2r=d/2). Все центры лежат на средней прямой, параллельной данным:
ℓm: ax+by+c1+c22=0. \ell_m:\; a x+b y+\frac{c_1+c_2}{2}=0.
ℓm :ax+by+2c1 +c2 =0. Её можно параметризовать, взяв некоторую точку P0P_0P0 на ℓm\ell_mℓm и вектор направления v=(−b,a)v=(-b,a)v=(−b,a) (параллельно данным прямым):
C(t)=P0+t(−b,a),t∈R. C(t)=P_0+t(-b,a),\qquad t\in\mathbb{R}.
C(t)=P0 +t(−b,a),t∈R. (Например, если b≠0b\neq0b=0, можно взять P0=(0,−(c1+c2)/(2b))P_0=(0,-(c_1+c_2)/(2b))P0 =(0,−(c1 +c2 )/(2b)).)
5) Условие пересечения с третьей прямой. Пусть третья прямая задана
ℓ3: a3x+b3y+c3=0,S=a32+b32. \ell_3:\; a_3 x+b_3 y+c_3=0,\qquad S=\sqrt{a_3^2+b_3^2}.
ℓ3 :a3 x+b3 y+c3 =0,S=a32 +b32 . Окружность с центром C(t)C(t)C(t) радиуса rrr пересекает ℓ3\ell_3ℓ3 тогда и только тогда, когда расстояние от центра до ℓ3\ell_3ℓ3 не превосходит rrr:
∣a3x(t)+b3y(t)+c3∣S≤r. \frac{|a_3 x(t)+b_3 y(t)+c_3|}{S}\le r.
S∣a3 x(t)+b3 y(t)+c3 ∣ ≤r. Поставив f(t)=a3x(t)+b3y(t)+c3=αt+βf(t)=a_3 x(t)+b_3 y(t)+c_3=\alpha t+\betaf(t)=a3 x(t)+b3 y(t)+c3 =αt+β, где
α=a3(−b)+b3a,β=a3x0+b3y0+c3, \alpha=a_3(-b)+b_3 a,\qquad \beta=a_3 x_0+b_3 y_0+c_3,
α=a3 (−b)+b3 a,β=a3 x0 +b3 y0 +c3 , получаем линейное неравенство
∣αt+β∣≤rS. |\alpha t+\beta|\le rS.
∣αt+β∣≤rS. Если α≠0\alpha\neq0α=0, это даёт отрезок параметров
t∈[−β−rSα, −β+rSα] t\in\left[\frac{-\beta-rS}{\alpha},\;\frac{-\beta+rS}{\alpha}\right]
t∈[α−β−rS ,α−β+rS ] (порядок концов меняется при α<0\alpha<0α<0). Если α=0\alpha=0α=0 (т.е. ℓ3\ell_3ℓ3 параллельна ℓ1,ℓ2\ell_1,\ell_2ℓ1 ,ℓ2 ), то либо для всех ttt выполняется пересечение (когда ∣β∣≤rS|\beta|\le rS∣β∣≤rS), либо ни для какого ttt (когда ∣β∣>rS|\beta|>rS∣β∣>rS); случай ∣β∣=rS|\beta|=rS∣β∣=rS — касание для всех центров.
6) Итог: окружности радиуса rrr, касающиеся обеих параллельных прямых, существуют только если r=d/2r=d/2r=d/2; их центры описывает средняя прямая ℓm\ell_mℓm . Для каждой точки C(t)C(t)C(t) на этой прямой пересечение с третьей прямой эквивалентно неравенству ∣αt+β∣≤rS|\alpha t+\beta|\le rS∣αt+β∣≤rS с указанными α,β,S\alpha,\beta,Sα,β,S.