Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лек6.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
331 Кб
Скачать
☆

2. Эллипс, его каноническое уравнение, исследование формы по уравнению Вывод уравнения эллипса

Определение 10.2. Эллипсом называется множество точек плоскости, для каждой из которых сумма расстояний от них до двух фиксированных точек F1 и F2, называемых фокусами, есть величина постоянная, большая, чем расстояние между фокусами.

С оставим уравнение эллипса. Выберем систему координат так, чтобы ось Ох проходила через фокусы, а ось Оу - посередине между ними (рис. 10.6). Обозначим через 2а сумму расстояний от любой точки М(х, у) эллипса до фокусов.

Расстояния r1 и r2 от точки M(x, y) до фокусов F1 и F2:

r1 = MF1, r2 = MF2,

называются фокальными радиусами точки М(x, y).

В выбранной системе координат фокусы имеют координаты:

F1(с, 0); F2 (-с, 0).

Расстояния от точки M(x, y) до фокусов:

, .

По определению эллипса сумма этих расстояний равна 2a:

.

Для последующего упрощения этого уравнения запишем его в виде

и возведём в квадрат обе части полученного уравнения:

.

После очевидных тождественных преобразований получим

.

Возведём левую и правую части этого уравнения в квадрат:

+ =

. (10.1)

Так как , введем обозначение .

Уравнение (10.1) при этом примет вид

После его почленного деления на a2b2  0 получим

. (10.2)

Равенство (10.2) является уравнением эллипса и называется каноническим уравнением эллипса.

Исследование формы эллипса по его каноническому уравнению

В каноническое уравнение (10.2) эллипса координаты x и y входят в чётной степени. Поэтому, если точка M (x, y) лежит на эллипсе, то вместе с нею лежат на том же эллипсе и точки MI (x, - y), MII (-x, y), симметричные относительно осей Oх и Oу, и точка MIII (-x, -y), симметричная точке M относительно начала координат.

Таким образом, эллипс, определяемый уравнением (10.2), симметричен как относительно оси Oх, так и относительно оси Oу. Значит, оси координат эллипса служат осями симметрии, а начало координат – центром симметрии.

Найдём точки пересечения эллипса с осями симметрии. Эти точки называются вершинами эллипса.

При y = 0 из уравнения найдём x =  a.

При x = 0 найдём y =  b. Значит, вершинами эллипса будут точки:

A1(a, 0), A2( - a, 0), B1(0, b), B2 (0, - b).

Отрезок [A1A2] оси симметрии (длина этого отрезка равна 2a), соединяющей вершины A1 и A2 эллипса, расположенные на оси, содержащей фокусы, называется большой осью эллипса, а отрезок [B1B2] длиной 2b – малой осью эллипса. Длины a и b называют соответственно большой и малой полуосями эллипса.

Для исследования формы эллипса выразим из его уравнения y в зависимости от x:

.

Используя симметрию эллипса, ограничимся рассмотрением той его части, которая расположена в первой координатной четверти, где х  0, y  0, т.е. рассмотрим график функции

, 0  x  a.

Очевидно, что при возрастании x от 0 до a величина y убывает от b до 0.

Учитывая симметричность эллипса относительно координатных осей, мы приходим к выводу о том, что эллипс - есть замкнутая линия, имеющая форму овала, центр симметрии и две оси симметрии (рис. 10.6).

Условимся уравнение называть уравнением эллипса и в том случае, когда a  b и a = b. В первом случае эллипс вытянут вдоль оси Oу, его фокусы будут расположены на оси Оу. Во втором случае уравнение принимает вид x2 + y2 = a2 и служит уравнением окружности радиуса a. При таком соглашении окружность выступает как частный случай эллипса, соответствующий равенству его малой и большой полуосей: a = b.

Эксцентриситетом эллипса называется отношение расстояния между фокусами этого эллипса 2с к длине его большой оси 2а, т.е.  .

Так как 0  с  a, то   1, т.е. эксцентриситет каждого эллипса меньше единицы.

Из равенства а2 – с2 = b2 следует, что c2 = a2 – b2. Поэтому

2 = , отсюда  = и .

Следовательно, эксцентриситет определяется отношением полуосей эллипса и, обратно, отношение полуосей эллипса определяется его эксцентриситетом.

Если  = 0, то , b = a, эллипс вырождается в окружность. Наоборот, чем ближе  к 1, тем ближе отношение к нулю, тем более вытянут эллипс вдоль оси Oх. Следовательно, эксцентриситет эллипса характеризует степень его вытянутости: чем ближе эксцентриситет к единице, тем более вытянут эллипс.

Пример 10.2. Составить каноническое уравнение эллипса, зная, что его фокусы лежат на оси Oх симметрично относительно начала координат, расстояние между фокусами 2c = 6 и эксцентриситет  = 3/5.

Решение. Чтобы составить каноническое уравнение эллипса, надо знать его полуоси a и b.

По условию с = 3. Из определения эксцентриситета Найдём полуось а: a = .

Из равенства a2 – c2 = b2 находим полуось b: .

Тогда получаем каноническое уравнение эллипса: .

Отложив на осях Ох и Оу вершины  5 и  4 соответственно, строим эллипс (рис. 10.7).

Вопросы на понимание основных понятий:

1. Что называется эллипсом?

2. Какое уравнение называется каноническим уравнением эллипса?

3. Что называется эксцентриситетом эллипса?

4. Какие точки называются вершинами эллипса?

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]