СВ в 23:16, 24 октября 2026

2026-10-24T23:16:34Z

← Предыдущая		Версия 23:16, 24 октября 2026
Строка 140:		Строка 140:

	Заметим, что для эллипса определяемого уравнением (1), где $b > a$, уравнение директрис имеют вид $y = b/\varepsilon$, $y = - b /\varepsilon$.		Заметим, что для эллипса определяемого уравнением (1), где $b > a$, уравнение директрис имеют вид $y = b/\varepsilon$, $y = - b /\varepsilon$.

			Конспект: [[Алгебра и геометрия]]

СВ в 22:59, 24 октября 2026

2026-10-24T22:59:01Z

Внесённые изменения

СВ: Новая страница: «{{Определение |definition= Эллипсом называется геометрическое место точек, для каждой из кото...»

2026-10-24T22:43:59Z

Новая страница: «{{Определение |definition= Эллипсом называется геометрическое место точек, для каждой из кото...»

Новая страница

{{Определение
|definition=
Эллипсом называется геометрическое место точек, для каждой из которых сумма расстояний до двух фиксированных точек $F_{1}$ и $F_{2}$ плоскости, называемых фокусами, есть величина постоянная $2a$, причем $2a > 2c$, где $2c$ расстояние между фокусами.
}}

Выберем декартову прямоугольную систему координат $Oxy$ так, что её начало $O$ {{---}} середина отрезка $F_{1}F_{2}$, а ось абсцисс находится на прямой, проходящей через $F_{1}$ и $F_{2}$, и имеет направление вектора $\overrightarrow{OF_2}$. Пусть $M(x, y)$ {{---}} произвольная точка эллипса.

Тогда, если $r_1 = \vert F_1 M\vert$, $r_2 = \vert F_2 M\vert$, то по определению $r_{1} + r_{2} = 2a$ или
$\sqrt {(x + c)^2 + y^2} + \sqrt {(x - c)^2 + y^2} = 2a$, $\sqrt {(x + c)^2 + y^2} = 2a - \sqrt {(x - c)^2 + y^2}$,
$(x + c)^2 + y^2 = 4a^2 - 4a\sqrt {(x - c)^2 + y^2} + (x - c)^2 + y^2$,
$x^2 + 2xc + c^2 = 4a^2 - 4a\sqrt {(x - c)^2 + y^2} + x^2 - 2xc + c^2$,
$4a\sqrt {(x - c)^2 + y^2} = 4a^2 - 4xc, a\sqrt {(x - c)^2 + y^2} = a^2 - xc$,
$(a^2 - c^2)x^2 + a^2y^2 = a^2(a^2 - c^2)$.

Положив $b^2 = a^2 - c^2$, имеем $b^{2}x^{2} + a^{2}y^{2} = a^{2}b^{2}$, отсюда получаем уравнение

<math display="block">
\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1, \tag{1}
</math>

которому удовлетворяют координаты произвольной точки $M(x, y)$ эллипса.

Убедимся, что любая точка $M(x, y)$ плоскости, координаты которой удовлетворяют (\ref{eq1}), лежит на рассматриваемом эллипсе. Действительно,

<math>
r_1 = \vert F_1 M\vert = \sqrt {\left( {x - \left( { - c} \right)} \right)^2 + y^2} = \sqrt {\left( {x + c} \right)^2 + b^2\left( {1 - \frac{x^2}{a^2}} \right)}
= \sqrt{x^2 + 2xc + c^2 + b^2 - \frac{b^2x^2}{a^2}} = \sqrt{\frac{a^2 - b^2}{a^2}x^2 + 2xc + b^2 + c^2}
= \sqrt {\frac{c^2x^2}{a^2} + 2cx + a^2} = \sqrt {\left( {a + \frac{cx}{a}} \right)^2} = \left| {a + \frac{cx}{a}} \right|,
</math>
и аналогично $r_2 = \vert F_2 M\vert = \vert a - \frac{cx}{a}\vert$.

Из соотношения <math>\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1</math> следует, что $\vert x \vert \le a$, кроме того, $0 < c < a$, поэтому

<math>
r_1 = a + \frac{cx}{a}, r_2 = a - \frac{cx}{a}.
</math>

$r_1 + r_2 = 2a$, следовательно, по определению точка $M(x, y)$ лежит на данном эллипсе.

Итак, уравнение <math>\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1</math> является уравнением эллипса, называемое '''каноническим уравнением'''.

[[Файл:algem-p07-02-01-ellipse-definition.svg|frame|none|800px|alt=Эллипс с фокусами, фокальными радиусами r1 и r2, полуосями a и b и расстоянием c|Рис. 1. Эллипс — множество точек, для которых r₁ + r₂ = 2a. Показаны фокусы, фокальные радиусы, вершины и полуоси; c² = a² − b².]]

Подчеркнем, что в полученном уравнении, определяющем рассматриваемый эллипс с фокусами на оси абсцисс, $a > b$. Если в уравнении окажется $b > a$, то фокусы эллипса, определяемого таким уравнением, располагаются на оси ординат. Если в уравнении $b = a$, то оно принимает вид $x^{2} + y^{2} = a^{2}$, то есть является уравнением окружности с радиусом $a$ и с центром в начале координат. В этом случае фокусы $F_{1}$ и $F_{2}$ совпадают, ибо $c = 0$. Поэтому окружность можно рассматривать как частный случай эллипса. В дальнейшем, если нет специальной оговорки, считаем, что в <math>\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1</math> подразумевается $a > b$.

Заметим, что уравнение содержит $x$ и $y$ в четной степени. Поэтому, если точка $M(x, y)$ лежит на эллипсе, то и точки $M'(x, -y)$ и $M''(-x,y)$, симметричные с точкой $M$ относительно осей $Ox$ и $Oy$, также лежат на этом эллипсе. Кроме того, точка $M'''(-x, -y)$, симметричная точке $M(x, y)$ относительно начала координат, также лежит на эллипсе.

Следовательно, для эллипса, заданного уравнением <math>\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1</math>, осями симметрии являются оси координат, а центром симметрии {{---}} начало координат.

Эллипс расположен внутри прямоугольника, сторонами которого являются отрезки прямых $x = a$, $x = -b$, $ y = b$, $y = -b$, поскольку $\vert x\vert \le a$, $\vert y \vert \le b$.

'''Вершинами эллипса''' будем называть точки пересечения его с осями координат. Эллипс <math>\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1</math> имеет четыре вершины: $A(a,0)$, $B(0, b)$, $A'(-a,0)$, $B'(0, -b)$.

У эллипса, определяемого уравнением (\ref{eq1}), в котором $a > b$, будем называть ''большой полуосью'' отрезок $OA$ или $OA'$, а ''малой полуосью'' {{---}} отрезок $OB$ или $OB'$, ''большой осью'' {{---}} отрезок $AA'$, ''малой осью'' {{---}} отрезок $BB'$. Отметим, что фокусы эллипса всегда расположены на большой оси.

Из соотношения (\ref{eq1}) имеем $y = \pm \frac{b}{a}\sqrt {a^2 - x^2}$, причем в первой четверти
<math>
\label{eq3}
y = \frac{b}{a}\sqrt {a^2 - x^2}, 0 \le x \le a.
</math>

Функция (\ref{eq3}) является монотонно убывающей. Ее значения убывают от $b$ до $0$ при возрастании $x$ от $0$ до $a$. График этой функции представляет собой часть эллипса, расположенную в первой четверти. Для построения полного эллипса следует воспользоваться отмеченными свойствами симметрии этой кривой.

Заметим, что любая прямая пересекает эллипс не более чем в двух точках, ибо точки пересечения всевозможных прямых с эллипсом находятся из решения системы
<math>
\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1, y = \gamma x + \beta
</math>
или системы
<math>
\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1, x = \pm \alpha .
</math>

Таким образом, эллипс, определяемый уравнением (\ref{eq1}), есть замкнутая выпуклая линия, имеющая центр симметрии в точке $O$ и две взаимно перпендикулярные оси симметрии, совпадающие с осями координат.

Эллипс можно получить с помощью равномерного сжатия окружности
<math>
\label{eq4}
{x}'^2 + {y}'^2 = a^2
</math>
к одной из координатных осей. Произведем, например, равномерное сжатие плоскости к оси абсцисс, т. е. преобразование, при котором точка $(x', y')$ переходит в точку $(x, y)$, где
<math>
\label{eq5}
\begin{cases}
x = x', \\
y = (b / a)y', \\
\end{cases}
</math>
причем $b < a$. Тогда окружность (\ref{eq4}) преобразуется в линию, определяемую уравнением $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$, т. е. эллипс с фокусами на оси абсцисс, ибо здесь $a > b$.

Пусть $M(x, y)$ {{---}} произвольная точка эллипса (\ref{eq1}), $N(x', y')$ {{---}} точка на окружности (\ref{eq4}), соответствующая точке $M$ при преобразовании (\ref{eq5}), $t = \angle (\vec {i},\overrightarrow{ON}), 0 \le t < 2\pi$.

С учетом параметрического способа задания окружности имеем $x' = a\cos t$, $y' = a\sin t$, отсюда в силу (\ref{eq5}) $x = a\cos t$, $y = b\sin t$, $0 \le t < 2\pi$.

Последние уравнения называют ''параметрическими уравнениями эллипса'' (\ref{eq1}). Параметр $t$ называют ''эксцентрическим углом'' точки $M$ на эллипсе.

''Эксцентриситетом'' $\varepsilon$ эллипса называют отношение половины расстояния между фокусами к длине большой полуоси, т. е.
<math>
\label{eq6}
\varepsilon = \frac{c}{a}
</math>

Ясно, что для эллипса $\varepsilon < 1$, ибо в силу определения эллипса $a > c$. Кроме того, $\varepsilon ^2 = \frac{c^2}{a^2} = \frac{a^2 - b^2}{a^2} = 1 - \left({\frac{b}{a}} \right)^2$, откуда получаем
$\varepsilon = \sqrt {1 - \left( {\frac{b}{a}} \right)^2}, \frac{b}{a} = \sqrt {1 - \varepsilon ^2}$,
то есть эксцентриситет $\varepsilon $ определяется отношением длин полуосей $b/a$, а отношение длин полуосей, в свою очередь, определяется эксцентриситетом $\varepsilon$.

Эксцентриситет характеризует форму эллипса, а именно степень его "вытянутости": чем больше эксцентриситет $\varepsilon$, тем более эллипс вытянут вдоль большой оси. Для окружности: $\varepsilon = 0$, ибо $c = 0$. Таким образом, для эллипса $0 \le \varepsilon < 1$.

Отрезки, соединяющие произвольную точку эллипса с его фокусами, называются ''фокальными радиусами эллипса''.

Таким образом, фокальные радиусы эллипса есть $r_{1} =\vert F_{1}M\vert $, $ r_{2} = \vert F_{2}M\vert$. В силу (\ref{eq2}), (\ref{eq6}) имеем $r_{1} = a + \varepsilon x$, $r_{2} = a - \varepsilon x$.

Две прямые, перпендикулярные прямой, проходящей через фокусы эллипса, и расположенные симметрично по отношению к центру эллипса на расстоянии $a/\varepsilon$ от него, где $a$ {{---}} длина большой полуоси, $\varepsilon$ {{---}} эксцентриситет эллипса, называются ''директрисами данного эллипса''.

Уравнения директрис эллипса, имеют вид $\pmb{d_{1}}: x = -a/\varepsilon$, $\pmb{d_{2}}: x = a/\varepsilon$.

Поскольку для эллипса $0 \le \varepsilon < 1$, то его директрисы расположены вне эллипса.

Фокус и директрису, расположенные по одну сторону от малой оси эллипса, будем называть соответствующими друг другу. Расстояние между ними называется ''фокальным параметром эллипса''.

{{Теорема
|statement=7.2.1.
Отношение расстояния $r$ произвольной точки эллипса до каждого из фокусов к расстоянию $d$ той же точки до соответствующей фокусу директрисы есть величина постоянная, равная эксцентриситету эллипса.
}}

'''Доказательство.'''
Ради определенности рассмотрим фокус $F_{2}(c, 0)$ и соответствующую ему директрису $\pmb{d_{2}}$ с уравнением $x = a / \varepsilon$. Пусть $\delta$ {{---}} отклонение произвольной точки эллипса от директрисы $\pmb{d_{2}}$. Уравнение директрисы $\pmb{d_{2}}: x - a/\varepsilon = 0$ имеет нормированный вид, ибо ее нормальный вектор $\vec {n}(1, 0)$ единичный и свободный член отрицательный. А тогда
<math>
\frac{r}{d} = \frac{r_2}{\delta } = \frac{a - \varepsilon x}{-x + \frac{a}{\varepsilon}} = \frac{a - \varepsilon x}{-\frac{\varepsilon x + a}{\varepsilon }} = \varepsilon.
</math>

Доказанное свойство эллипса можно положить в основу его определения.

[[Файл:algem-p07-02-02-eccentricity-directrix.svg|frame|none|800px|alt=Эллипс с фокусом F2, директрисой d2 и точкой M: расстояния r и d, их отношение равно эксцентриситету|Рис. 2. Для точки M отношение r/d одинаково для всех точек эллипса и равно ε = c/a < 1. Директриса d₂ удалена от центра на a/ε.]]

{{Определение
|definition=
Эллипсом называют геометрическое место точек на плоскости, для каждой из которых отношение расстояния $r$ до некоторой фиксированной точки, называемой фокусом, к расстоянию $d$ этой же точки до некоторой фиксированной прямой, называемой директрисой, есть величина постоянная и меньшая единицы, т.е. $r/d = \varepsilon < 1$.
}}

Заметим, что для эллипса определяемого уравнением (\ref{eq1}), где $b > a$, уравнение директрис имеют вид $y = b/\varepsilon$, $y = - b /\varepsilon$.

Эллипс - История изменений

СВ в 23:16, 24 октября 2026

СВ в 22:59, 24 октября 2026

СВ: Новая страница: «{{Определение |definition= Эллипсом называется геометрическое место точек, для каждой из кото...»