На плоскости заданы две непараллельные прямые и точка P; найдите геометрическое место точек X таких, что сумма квадратов расстояний от X до этих прямых постоянна, проинтерпретируйте результат в координатах и синтетически
Краткий ответ. Геометрическое место — эллипс (вырождено в точку при C=0C=0C=0, в окружность при прямых взаимно перпендикулярны). Координатная интерпретация (самый простой вариант). Пусть прямые непараллельны и пересекаются в точке PPP; положим PPP началом координат и выберем оси вдоль биссектрис угла между прямыми. Обозначим угол между прямыми через θ\thetaθ. Тогда уравнения нормалей можно взять симметричными, и для точки X=(x,y)X=(x,y)X=(x,y) суммы квадратов расстояний до прямых получаем d12+d22=(xcosθ2+ysinθ2)2+(xcosθ2−ysinθ2)2=2(x2cos2θ2+y2sin2θ2).
d_1^2+d_2^2=(x\cos\frac{\theta}{2}+y\sin\frac{\theta}{2})^2+(x\cos\frac{\theta}{2}-y\sin\frac{\theta}{2})^2 =2\Big(x^2\cos^2\frac{\theta}{2}+y^2\sin^2\frac{\theta}{2}\Big). d12+d22=(xcos2θ+ysin2θ)2+(xcos2θ−ysin2θ)2=2(x2cos22θ+y2sin22θ).
Приравнивая это постоянной CCC, получаем уравнение эллипса 2(x2cos2θ2+y2sin2θ2)=C,
2\Big(x^2\cos^2\frac{\theta}{2}+y^2\sin^2\frac{\theta}{2}\Big)=C, 2(x2cos22θ+y2sin22θ)=C,
откуда полуоси a=C2cos2θ2,b=C2sin2θ2.
a=\sqrt{\frac{C}{2\cos^2\frac{\theta}{2}}},\qquad b=\sqrt{\frac{C}{2\sin^2\frac{\theta}{2}}}. a=2cos22θC,b=2sin22θC.
Особый случай: θ=π2⇒a=b=C\theta=\tfrac{\pi}{2}\Rightarrow a=b=\sqrt{C}θ=2π⇒a=b=C — окружность радиуса C\sqrt{C}C. Синтетическая интерпретация. Локус — эллипс, центр которого совпадает с точкой пересечения прямых; главные оси эллипса лежат на биссектрисах угла между прямыми; величины полуосей зависят от угла между прямыми и от постоянной суммы квадратов. В общем положении (если в уравнениях прямых стоят свободные члены) после переносa координат к центру эллипса уравнение имеет вид (n1⋅X+d1)2+(n2⋅X+d2)2=C,
(n_1\cdot X+d_1)^2+(n_2\cdot X+d_2)^2=C, (n1⋅X+d1)2+(n2⋅X+d2)2=C,
где n1,n2n_1,n_2n1,n2 — единичные нормали; это положительно определённая квадратичная форма, следовательно кривая — эллипс, центр которого находится из уравнения n1(n1⋅X+d1)+n2(n2⋅X+d2)=0.
n_1\big(n_1\cdot X+d_1\big)+n_2\big(n_2\cdot X+d_2\big)=0. n1(n1⋅X+d1)+n2(n2⋅X+d2)=0.
Координатная интерпретация (самый простой вариант). Пусть прямые непараллельны и пересекаются в точке PPP; положим PPP началом координат и выберем оси вдоль биссектрис угла между прямыми. Обозначим угол между прямыми через θ\thetaθ. Тогда уравнения нормалей можно взять симметричными, и для точки X=(x,y)X=(x,y)X=(x,y) суммы квадратов расстояний до прямых получаем
d12+d22=(xcosθ2+ysinθ2)2+(xcosθ2−ysinθ2)2=2(x2cos2θ2+y2sin2θ2). d_1^2+d_2^2=(x\cos\frac{\theta}{2}+y\sin\frac{\theta}{2})^2+(x\cos\frac{\theta}{2}-y\sin\frac{\theta}{2})^2
=2\Big(x^2\cos^2\frac{\theta}{2}+y^2\sin^2\frac{\theta}{2}\Big).
d12 +d22 =(xcos2θ +ysin2θ )2+(xcos2θ −ysin2θ )2=2(x2cos22θ +y2sin22θ ). Приравнивая это постоянной CCC, получаем уравнение эллипса
2(x2cos2θ2+y2sin2θ2)=C, 2\Big(x^2\cos^2\frac{\theta}{2}+y^2\sin^2\frac{\theta}{2}\Big)=C,
2(x2cos22θ +y2sin22θ )=C, откуда полуоси
a=C2cos2θ2,b=C2sin2θ2. a=\sqrt{\frac{C}{2\cos^2\frac{\theta}{2}}},\qquad
b=\sqrt{\frac{C}{2\sin^2\frac{\theta}{2}}}.
a=2cos22θ C ,b=2sin22θ C . Особый случай: θ=π2⇒a=b=C\theta=\tfrac{\pi}{2}\Rightarrow a=b=\sqrt{C}θ=2π ⇒a=b=C — окружность радиуса C\sqrt{C}C .
Синтетическая интерпретация. Локус — эллипс, центр которого совпадает с точкой пересечения прямых; главные оси эллипса лежат на биссектрисах угла между прямыми; величины полуосей зависят от угла между прямыми и от постоянной суммы квадратов. В общем положении (если в уравнениях прямых стоят свободные члены) после переносa координат к центру эллипса уравнение имеет вид
(n1⋅X+d1)2+(n2⋅X+d2)2=C, (n_1\cdot X+d_1)^2+(n_2\cdot X+d_2)^2=C,
(n1 ⋅X+d1 )2+(n2 ⋅X+d2 )2=C, где n1,n2n_1,n_2n1 ,n2 — единичные нормали; это положительно определённая квадратичная форма, следовательно кривая — эллипс, центр которого находится из уравнения
n1(n1⋅X+d1)+n2(n2⋅X+d2)=0. n_1\big(n_1\cdot X+d_1\big)+n_2\big(n_2\cdot X+d_2\big)=0.
n1 (n1 ⋅X+d1 )+n2 (n2 ⋅X+d2 )=0.