В пространстве задана окружность и точка P вне неё; постройте (компасом и линейкой) все плоскости, проходящие через P и пересекающие окружность по хорде заданной длины, и обоснуйте условия существования решений
Обозначения. Пусть окружность лежит в плоскости π\piπ, её центр OOO, радиус RRR. Заданная длина хорды — lll. Точка PPP — произвольная точка пространства, не лежащая на окружности (может лежать в π\piπ или вне π\piπ). Ключевое замечание. Если прямая m⊂πm\subset\pim⊂π проходит на расстоянии xxx от OOO, то соответствующая хорда имеет длину 2R2−x2.
2\sqrt{R^2-x^2}. 2R2−x2.
Значит для заданной длины lll необходима и достаточна дистанция d=R2−(l/2)2,
d=\sqrt{R^2-(l/2)^2}, d=R2−(l/2)2,
(существует только при 0<l≤2R0<l\le 2R0<l≤2R; при l=2Rl=2Rl=2R — d=0d=0d=0). Построение и обоснование. 1. В плоскости π\piπ построить круг kkk с центром OOO и радиусом ddd. 2. Все искомые плоскости получаются так: пусть ttt — прямая в π\piπ, являющаяся касательной к kkk. Тогда прямая ttt лежит на расстоянии ddd от OOO, значит пересечение ttt с заданной окружностью — хорда длины lll. Любая плоскость, содержащая и точку PPP, и эту прямую ttt, пересечёт окружность по искомой хордe. Особые случаи и условия существования: - Необходимое условие: 0<l≤2R0<l\le 2R0<l≤2R. При l>2Rl>2Rl>2R решений нет. - Случай P∉πP\not\in\piP∈π: для каждой касательной ttt к kkk существует единственная плоскость через PPP и ttt. Так получаем бесконечно много решений (при d>0d>0d>0); при d=0d=0d=0 (l=2Rl=2Rl=2R) берем любые прямые в π\piπ, проходящие через OOO, и плоскости через PPP и эти прямые. - Случай P∈πP\in\piP∈π: если P∈πP\in\piP∈π, то плоскость через PPP и прямая t⊂πt\subset\pit⊂π даёт пересечение π\piπ по ttt только когда ttt проходит через PPP. Значит требуется наличие касательных к kkk, проходящих через PPP. Это возможно тогда и только тогда, когда OP≥dOP\ge dOP≥d. Тогда таких касательных 1 (если OP=dOP=dOP=d) или 2 (если OP>dOP>dOP>d); для каждой такой прямой ttt любая плоскость, содержащая ttt (и, разумеется, P∈tP\in tP∈t), даёт требуемую хордe (обычно таких плоскостей бесконечно много, они вращаются вокруг ttt). Итог: постройте в π\piπ круг радиуса d=R2−(l/2)2d=\sqrt{R^2-(l/2)^2}d=R2−(l/2)2 и его касательные; каждую касательную совместно с точкой PPP разверните в плоскость — это и будут все искомые плоскости.
Ключевое замечание. Если прямая m⊂πm\subset\pim⊂π проходит на расстоянии xxx от OOO, то соответствующая хорда имеет длину
2R2−x2. 2\sqrt{R^2-x^2}.
2R2−x2 . Значит для заданной длины lll необходима и достаточна дистанция
d=R2−(l/2)2, d=\sqrt{R^2-(l/2)^2},
d=R2−(l/2)2 , (существует только при 0<l≤2R0<l\le 2R0<l≤2R; при l=2Rl=2Rl=2R — d=0d=0d=0).
Построение и обоснование.
1. В плоскости π\piπ построить круг kkk с центром OOO и радиусом ddd.
2. Все искомые плоскости получаются так: пусть ttt — прямая в π\piπ, являющаяся касательной к kkk. Тогда прямая ttt лежит на расстоянии ddd от OOO, значит пересечение ttt с заданной окружностью — хорда длины lll. Любая плоскость, содержащая и точку PPP, и эту прямую ttt, пересечёт окружность по искомой хордe.
Особые случаи и условия существования:
- Необходимое условие: 0<l≤2R0<l\le 2R0<l≤2R. При l>2Rl>2Rl>2R решений нет.
- Случай P∉πP\not\in\piP∈π: для каждой касательной ttt к kkk существует единственная плоскость через PPP и ttt. Так получаем бесконечно много решений (при d>0d>0d>0); при d=0d=0d=0 (l=2Rl=2Rl=2R) берем любые прямые в π\piπ, проходящие через OOO, и плоскости через PPP и эти прямые.
- Случай P∈πP\in\piP∈π: если P∈πP\in\piP∈π, то плоскость через PPP и прямая t⊂πt\subset\pit⊂π даёт пересечение π\piπ по ttt только когда ttt проходит через PPP. Значит требуется наличие касательных к kkk, проходящих через PPP. Это возможно тогда и только тогда, когда OP≥dOP\ge dOP≥d. Тогда таких касательных 1 (если OP=dOP=dOP=d) или 2 (если OP>dOP>dOP>d); для каждой такой прямой ttt любая плоскость, содержащая ttt (и, разумеется, P∈tP\in tP∈t), даёт требуемую хордe (обычно таких плоскостей бесконечно много, они вращаются вокруг ttt).
Итог: постройте в π\piπ круг радиуса d=R2−(l/2)2d=\sqrt{R^2-(l/2)^2}d=R2−(l/2)2 и его касательные; каждую касательную совместно с точкой PPP разверните в плоскость — это и будут все искомые плоскости.