В пространстве дано пересечение двух плоскостей π1 и π2; исследуйте множество центров всех сфер, касающихся обеих плоскостей и проходящих через фиксированную точку A; опишите геометрическое место и выведите уравнение в координатах
Краткий ответ (геометрия). Множество центров всех сфер, касающихся обеих плоскостей π1,π2\pi_1,\pi_2π1,π2 и проходящих через фиксированную точку AAA, представляет собой объединение двух кривых, лежащих в двух плоскостях-биссектрисах двугранного угла между π1\pi_1π1 и π2\pi_2π2. На каждой биссектрисе центры удовлетворяют уравнению радиального равенства расстояния до точки AAA и расстояния до плоскости, поэтому в каждой биссектрисе получается коника (вырожденный или невырожденный случай зависит от положения AAA и угла между плоскостями). Общее уравнение (векторный вид). Пусть πi: ui⋅x+ci=0\pi_i:\;\mathbf{u}_i\cdot\mathbf{x}+c_i=0πi:ui⋅x+ci=0 с единичными нормалями ui\mathbf{u}_iui(i=1,2)(i=1,2)(i=1,2). Центр O\mathbf{O}O должен удовлетворять 1) равенству расстояний до плоскостей (знаковой случай ε=±1\varepsilon=\pm1ε=±1): (u1−εu2)⋅O+c1−εc2=0
(\mathbf{u}_1-\varepsilon\mathbf{u}_2)\cdot\mathbf{O}+c_1-\varepsilon c_2=0 (u1−εu2)⋅O+c1−εc2=0
(это уравнение одной из двух биссектрис), и 2) условию прохождения шара через AAA (с радиусом r=dist(O,π1)=u1⋅O+c1r=\mathrm{dist}(\mathbf{O},\pi_1)=\mathbf{u}_1\cdot\mathbf{O}+c_1r=dist(O,π1)=u1⋅O+c1 по неотрицательному значению): ∥O−A∥2=(u1⋅O+c1)2.
\lVert\mathbf{O}-\mathbf{A}\rVert^2=(\mathbf{u}_1\cdot\mathbf{O}+c_1)^2. ∥O−A∥2=(u1⋅O+c1)2.
Комбинация этих двух уравнений (для ε=+1\varepsilon=+1ε=+1 и для ε=−1\varepsilon=-1ε=−1) даёт искомое геометрическое место (две коники, одна в каждой биссектрисе). Явные координаты (частный удобный выбор). Поставим начало на линии пересечения π1∩π2\pi_1\cap\pi_2π1∩π2 и ось zzz вдоль этой линии; положим π1: cosϕ x−sinϕ y=0,π2: cosϕ x+sinϕ y=0.
\pi_1:\;\cos\phi\,x-\sin\phi\,y=0,\qquad \pi_2:\;\cos\phi\,x+\sin\phi\,y=0. π1:cosϕx−sinϕy=0,π2:cosϕx+sinϕy=0.
Тогда биссектрисы — плоскости y=0y=0y=0 и x=0x=0x=0. Пусть A=(x0,y0,z0)A=(x_0,y_0,z_0)A=(x0,y0,z0), центр O=(x,y,z)O=(x,y,z)O=(x,y,z). - Для биссектрисы y=0y=0y=0 условие равно (x−x0)2+y02+(z−z0)2=(xcosϕ)2,
(x-x_0)^2+y_0^2+(z-z_0)^2=(x\cos\phi)^2, (x−x0)2+y02+(z−z0)2=(xcosϕ)2,
или sin2ϕ x2−2xx0+x02+y02+(z−z0)2=0.
\sin^2\phi\;x^2-2x x_0+x_0^2+y_0^2+(z-z_0)^2=0. sin2ϕx2−2xx0+x02+y02+(z−z0)2=0.
- Для биссектрисы x=0x=0x=0 условие равно x02+(y−y0)2+(z−z0)2=(ysinϕ)2,
x_0^2+(y-y_0)^2+(z-z_0)^2=(y\sin\phi)^2, x02+(y−y0)2+(z−z0)2=(ysinϕ)2,
или sin2ϕ y2−2yy0+x02+y02+(z−z0)2=0.
\sin^2\phi\;y^2-2y y_0+x_0^2+y_0^2+(z-z_0)^2=0. sin2ϕy2−2yy0+x02+y02+(z−z0)2=0. Каждое из этих уравнений задаёт конику в соответствующей биссектрисе (вырождение возможно).
радиального равенства расстояния до точки AAA и расстояния до плоскости, поэтому в каждой биссектрисе получается коника (вырожденный или невырожденный случай зависит от положения AAA и угла между плоскостями).
Общее уравнение (векторный вид). Пусть πi: ui⋅x+ci=0\pi_i:\;\mathbf{u}_i\cdot\mathbf{x}+c_i=0πi :ui ⋅x+ci =0 с единичными нормалями ui\mathbf{u}_iui (i=1,2)(i=1,2)(i=1,2). Центр O\mathbf{O}O должен удовлетворять
1) равенству расстояний до плоскостей (знаковой случай ε=±1\varepsilon=\pm1ε=±1):
(u1−εu2)⋅O+c1−εc2=0 (\mathbf{u}_1-\varepsilon\mathbf{u}_2)\cdot\mathbf{O}+c_1-\varepsilon c_2=0
(u1 −εu2 )⋅O+c1 −εc2 =0 (это уравнение одной из двух биссектрис), и
2) условию прохождения шара через AAA (с радиусом r=dist(O,π1)=u1⋅O+c1r=\mathrm{dist}(\mathbf{O},\pi_1)=\mathbf{u}_1\cdot\mathbf{O}+c_1r=dist(O,π1 )=u1 ⋅O+c1 по неотрицательному значению):
∥O−A∥2=(u1⋅O+c1)2. \lVert\mathbf{O}-\mathbf{A}\rVert^2=(\mathbf{u}_1\cdot\mathbf{O}+c_1)^2.
∥O−A∥2=(u1 ⋅O+c1 )2. Комбинация этих двух уравнений (для ε=+1\varepsilon=+1ε=+1 и для ε=−1\varepsilon=-1ε=−1) даёт искомое геометрическое место (две коники, одна в каждой биссектрисе).
Явные координаты (частный удобный выбор). Поставим начало на линии пересечения π1∩π2\pi_1\cap\pi_2π1 ∩π2 и ось zzz вдоль этой линии; положим
π1: cosϕ x−sinϕ y=0,π2: cosϕ x+sinϕ y=0. \pi_1:\;\cos\phi\,x-\sin\phi\,y=0,\qquad
\pi_2:\;\cos\phi\,x+\sin\phi\,y=0.
π1 :cosϕx−sinϕy=0,π2 :cosϕx+sinϕy=0. Тогда биссектрисы — плоскости y=0y=0y=0 и x=0x=0x=0.
Пусть A=(x0,y0,z0)A=(x_0,y_0,z_0)A=(x0 ,y0 ,z0 ), центр O=(x,y,z)O=(x,y,z)O=(x,y,z).
- Для биссектрисы y=0y=0y=0 условие равно
(x−x0)2+y02+(z−z0)2=(xcosϕ)2, (x-x_0)^2+y_0^2+(z-z_0)^2=(x\cos\phi)^2,
(x−x0 )2+y02 +(z−z0 )2=(xcosϕ)2, или
sin2ϕ x2−2xx0+x02+y02+(z−z0)2=0. \sin^2\phi\;x^2-2x x_0+x_0^2+y_0^2+(z-z_0)^2=0.
sin2ϕx2−2xx0 +x02 +y02 +(z−z0 )2=0. - Для биссектрисы x=0x=0x=0 условие равно
x02+(y−y0)2+(z−z0)2=(ysinϕ)2, x_0^2+(y-y_0)^2+(z-z_0)^2=(y\sin\phi)^2,
x02 +(y−y0 )2+(z−z0 )2=(ysinϕ)2, или
sin2ϕ y2−2yy0+x02+y02+(z−z0)2=0. \sin^2\phi\;y^2-2y y_0+x_0^2+y_0^2+(z-z_0)^2=0.
sin2ϕy2−2yy0 +x02 +y02 +(z−z0 )2=0.
Каждое из этих уравнений задаёт конику в соответствующей биссектрисе (вырождение возможно).