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

12 Ноя в 10:34
5 +5
0
Ответы
1
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,
1 :ax+by+c1 =0,2 :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}=rax0 +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.
m :ax+by+2c1 +c2 =0.
Её можно параметризовать, взяв некоторую точку P0P_0P0 на ℓm\ell_mm 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),tR.
(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}.
3 :a3 x+b3 y+c3 =0,S=a32 +b32 .
Окружность с центром C(t)C(t)C(t) радиуса rrr пересекает ℓ3\ell_33 тогда и только тогда, когда расстояние от центра до ℓ3\ell_33 не превосходит rrr:
∣a3x(t)+b3y(t)+c3∣S≤r. \frac{|a_3 x(t)+b_3 y(t)+c_3|}{S}\le r.
Sa3 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+βrS.
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[αβrS ,αβ+rS ]
(порядок концов меняется при α<0\alpha<0α<0). Если α=0\alpha=0α=0 (т.е. ℓ3\ell_33 параллельна ℓ1,ℓ2\ell_1,\ell_21 ,2 ), то либо для всех ttt выполняется пересечение (когда ∣β∣≤rS|\beta|\le rSβrS), либо ни для какого ttt (когда ∣β∣>rS|\beta|>rSβ>rS); случай ∣β∣=rS|\beta|=rSβ=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_mm . 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 rSαt+βrS с указанными α,β,S\alpha,\beta,Sα,β,S.
12 Ноя в 11:52
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир