Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции 2 семестр.doc
Скачиваний:
8
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
5 Мб
Скачать
☆

§1. Эллипс, каноническое уравнение

Эллипсом называется множество всех точек плоскости, для каждой из которых сумма расстояний до двух данных точек, называемых фокусами, есть величина постоянная, большая, чем расстояние между фокусами.

Пусть М - произвольная точка эллипса, F1, F2 - его фокусы, расстояние F1F2=2 назовем фокальным расстоянием, отрезки F1M и F2M назовем фокальными радиусами точки М. Пусть дано постоянное число 2 >2 ( > ), тогда, согласно определению эллипса, имеем:

F1M + F2M = 2a. (1)

Рис.3. М-точка эллипса, F1, F2 – фокусы.

Найдем уравнение эллипса в прямоугольной системе координат O , где О - середина отрезка F1F2, ↑↑OF1 (рис.3). В выбранной системе координат можно указать координаты точек F1( , ), F2(- , ). Если М(х,у) - переменная точка эллипса, то F1M= , F2M= . Равенство (1) примет вид:

. (2)

Возведя последнее уравнение дважды в квадрат и выполнив алгебраические преобразования, получим:

( 2- 2) 2+ 2 2= 2( 2- 2).

Так как > , то 2- 2>0. Обозначив 2- 2 через 2, последнее уравнение запишем в виде

+ =1. (3)

Итак, доказано, что координаты любой точки эллипса удовлетворяют уравнению (3).

Так как в ходе преобразований уравнения (2) дважды выполнялось действие возведения уравнения в квадрат, то возможно нарушение равносильности уравнений (2) и (3). Поэтому надо доказать обратное утверждение: если координаты некоторой точки удовлетворяют уравнению (3), то эта точка принадлежит эллипсу, т.е. для нее F1M+F2M=2 .

Из уравнения (3) найдем у2=b2(1- ).

Учитывая, что

а2 - с2 = b2 , (4)

найдем:

F1M= = . (5)

Аналогично получим F2M= .

Из уравнения (3) следует, что |х|≤а, и так как 0< <1, то а- х>0 и а+ х>0, поэтому F1M=а- и F2M=а + .

Следовательно, F1М+F2M=2a, т. е. М(х,у) - точка эллипса.

Итак, уравнение (3) является уравнением эллипса. Оно называется каноническим уравнением эллипса и так как это уравнение имеет вторую степень, то эллипс является линией второго порядка.

Замечание. Если фокусы F1 и F2 совпадают, то с=0, поэтому из формулы (4) следует, что a=b, и уравнение (3) примет вид: x2+y2=a2. Этим уравнением определяется окружность с центром в начале координат и радиусом, равным a. Таким образом, окружность является частным случаем эллипса.

§2. Исследование свойств эллипса

Исследуем геометрические свойства эллипса, заданного в прямоугольной системе координат каноническим уравнением

+ =1. (1)

  1. Так как координаты точки О(о,о) не удовлетворяют уравнению (1),

то эллипс не проходит через начало координат.

  1. Переменные х и у входят в уравнение (1) в четной степени, поэтому,

если точка М(х,у) принадлежит эллипсу, то эллипсу (1) принадлежат

и точки М1(-х, у), М2(х,-у), М3(-х ,-у). Следовательно, оси Oх и Oу

являются осями симметрии эллипса, а точка О - центром симметрии

или центром эллипса. Ось, на которой лежат фокусы, называется

фокальной осью.

  1. Точки пересечения эллипса с осями координат имеют координаты:

А1(a,0), А2(-a,0), В1(0,b), В2(0,-b). Эти точки называются вершинами

эллипса. Из формулы (4) §1 следует, что a>b при с 0, поэтому

отрезки А1А2 и В1В2 называются соответственно большой и малой

осями эллипса, а отрезки ОА1=ОА2=a и ОВ1=ОВ2=b большими и

малыми полуосями соответственно.

  1. Из уравнения (1) следует, что |х|≤a, |у|≤b. Геометрически это

означает, что все точки эллипса расположены внутри

прямоугольника, сторонами которого являются прямые х=a, х=-a,

у=b, у=-b, и который называется характеристическим.

  1. Чтобы получить представление о форме эллипса, достаточно исследовать поведение его точек, лежащих в первой координатной четверти, и воспользоваться свойством симметричности эллипса относительно осей. Для точки М(х,у), принадлежащей первой четверти, х≥0, у≥0, поэтому из уравнения (1) найдем : у = .

Отсюда видно, что при возрастании х от 0 до a ордината у переменной точки М убывает от b до 0.

На основании рассмотренных свойств изобразим эллипс, заданный формулой (1) (рис.4).

у

В1

b

P Q

EMBED Equation.DSMT4

А1 х

0

А2

-a

a

-b

В2

S R

Рис.4.Эллипс + =1, PQRS- Характеристический прямоугольник эллипса.