Квант

ЭЛЛИПС

И. Н. Бронштейн

Три замечательные кривые — эллипс, гипербола и парабола, объединенные общим названием «конические сечения» — были известны еще в Древней Греции. Их открыл около 360 года до нашей эры Менехм, один из учеников знаменитого астронома, врача и математика Евдокса. Сочинения Менехма до нас не дошли, но нам известно замечательное сочинение Аполлония, посвященное этому же вопросу и написанное примерно 200 лет спустя после Менехма.
В этом номере мы начинаем цикл статей о конических сечениях.

Растяжение-сжатие плоскости (РС)

Возьмем в плоскости π\pi некоторую прямую ll и зададим положительное число kk. Будем называть растяжением-сжатием (сокращенно РС*)) плоскости π\pi относительно оси ll с коэффициентом kk такое преобразование плоскости в себя, при котором


*) Это преобразование обычно называют сжатием к оси, понимая под этим также и растяжение (при k>1k>1). По нашему мнению, такое название неудачно, так как оно иногда приводит к путанице. Например, эллипсом считают линию, полученную только с ж а т и е м окружности (см. ниже), и поэтому часто думают, что в уравнении эллипса всегда a>ba>b, что не обязательно.

каждая ее точка mm переходит в точку MM по следующим правилам:

  1. точки mm и MM лежат на одном перпендикуляре к оси ll по одну сторону от нее; точка, лежащая на самой оси, переходит в себя;

  2. расстояние от точки до оси умножается на kk, то есть m0M=k⋅m0mm_0M = k \cdot m_0m, где m0m_0 — основание перпендикуляра, опущенного из точки mm на ось ll (см. рис. 1 а, б).

Если k>1k > 1, то все точки плоскости (кроме точек самой оси) удаляются от оси — плоскость растягивается, а если k<1k < 1, то приближаются к оси — плоскость сжимается. При k=1k = 1 все точки плоскости остаются на месте; в этом случае мы по-


Рис. 1 а.


Рис. 1 б.

2

3


Рис. 2 а. k=1/2k=^1/_2.


Рис. 2 б. k=2k=2.

лучаем тождественное преобразование плоскости.

Пусть в плоскости π\pi дана какая-нибудь фигура ω\omega (то есть некоторое множество точек). Нас будет интересовать множество Ω\Omega всех точек, полученных из ω\omega в результате РС (см. рис. 2 а, б). Важно отметить, что при РС прямая линия перейдет в прямую, параллельные прямые — в параллельные, а середина отрезка — в середину. Например, если cd∥becd\|be, cm=mdcm=md, то CD∥BECD\|BE, CM=MDCM=MD (см. рис. 2). Доказательства этих фактов предоставляем читателю.

Определение эллипса. Элементы эллипса

Эллипсом называется фигура, полученная в результате РС окружности (или круга *)). Пусть aa — радиус окружности (рис. 3; ось РС будем считать проходящей через центр окружности). Тогда диаметр cdcd, лежащий на оси, перейдет в себя (CD=2aCD=2a),


*) Окружность — линия, а круг — часть плоскости внутри нее. Для эллипса двух аналогичных слов нет; как сама кривая, так и часть плоскости внутри нее называются одинаково — говорят «длина эллипса», «площадь эллипса». Читатель в каждом случае без труда установит, о каком смысле слова «эллипс» идет речь.

1*

а перпендикулярный к нему диаметр eheh — в отрезок EHEH (EH=2kaEH=2ka). Обозначим OE(=OH)OE(=OH) через bb, тогда ka=bka=b.

Отрезки CDCD и EHEH называются осями эллипса, а их половины OCOC, ODOD, OEOE, OHOH (а также числа aa и bb) — его полуосями. Если k>1k>1 (растяжение), то b>ab>a (рис. 3), если же k<1k<1 (сжатие), то b<ab<a (см. следующие рисунки). При k=1k=1 окружность перейдет в окружность *).


*) Чтобы не нарушать общности определения, окружность считается частным случаем эллипса (b=ab=a).


Рис. 3.

4

Больший из отрезков CD, EH называется большой осью эллипса, а меньший — малой осью. Значит, если k>1k > 1, то aa — малая полуось, а bb — большая, а если k<1k < 1, то наоборот. В обих случаях k=bak = \frac{b}{a}.

Точка oo — центр окружности — при PC переходит в себя, эта точка OO называется центром эллипса, точки C,D,E,HC, D, E, H — его вершинами. Квадрат pqrspqrs, описанный вокруг окружности («матери» эллипса) так, что pq∥rs∥lpq \parallel rs \parallel l, а qr∥sp⊥lqr \parallel sp \perp l, преобразуется в прямоугольник PQRSPQRS со стороны 2a2a и 2b2b, описанный вокруг эллипса; его называют фундаментальным прямоугольником для нашего эллипса. Стороны этого прямоугольника касаются эллипса в его вершинах.

Как намерить эллипс

Если заданы оси эллипса, то проще всего намерить эллипс от руки, построив сначала фундаментальный прямоугольник, а затем в него овальный кривую. Но этот метод не точен, существует много овальных кривых с одним и теми же осями симметрии (несколько таких кривых изображено на рисунке 4), но только одна из них (на рисунке 4 — красная) является эллипсом. Можно точно построить сколько угодно точек эллипса. Наиболее употребитный

Рис. 5.

и простой способ такого построения изображен на рисунке 5.

На нем две концентрические окружности имеют радиусы aa и bb. Разбериться сами в этом построении и докажите, что m0M=m0m⋅bam_0M = m_0m \cdot \frac{b}{a}.

Сделав такое построение для нескольких точки m1,m2,m3,…m_1, m_2, m_3, \dots окружности, можно получить соответствующие точки эллипса. Останется соединить их плавной линии от руки или с помощью лекала.

Начертить эллипс непрерывным движением, не отрывая карандаша от бумаги, подобно тому, как мы вычеркиваем окружность циркулем, можно специальным прибором — эллипсо-

Рис. 4.

Рис. 6.

графом *). В конце статьи мы укажем простой способ непрерывного вычерчивания эллипса при помощи нити.

Сопряженные диаметры эллипса

Отметим следующее интересное свойство эллипса: середины всех параллельных хорд эллипса образуют отрезок, проходящий через центр эллипса (рис. 6). Это свойство очевидно для окружности: для нее середины параллельных хорд лежат на диаметре, перпендикулярном к этим хордам. При сжатии параллельные хорды окружности переходят в параллельные хорды эллипса, а середины хорд окружности — в середины хорд эллипса. Отсюда и вытекает справедливость сформулированного свойства.

Хорда, проходящая через центр эллипса, называется его диаметром. У эллипса длины диаметров, вообще говоря, не одинаковы. Наибольший из них — большая ось эллипса, а наименьший — малая. Если провести в эллипсе вторую серию хорд, параллельных полученному диаметру, то их середины лежат на диаметре, принадлежащем к первой серии хорд (рис. 6). Два полученных диаметра называются взаимно сопряженными. Для каждого диаметра эллипса существует ему сопряженный. У окружности каждая пара сопряженных диаметров взаимно перпендикулярна, а у эллипса есть только одна пара взаимно перпендикулярных сопряженных диаметров, это — большая и малая оси.

Уравнение линии. Уравнение эллипса

Одним из самых замечательных открытий XVII века является метод координат **),


*) В первой публикации настоящей статьи («Квант», 1970, № 9, с. 32) приведено описание и теоретическое обоснование эллипсографа.

**) Он обычно излагается в курсе аналитической геометрии.


Рис. 7.

позволяющий переводить геометрические понятия на алгебраический язык. Этот метод дает возможность устанавливать соответствие между линиями, лежащими на плоскости, на которой введена система координат, и уравнениями, содержащими две буквы xx и yy.

Уравнением линии называется такое уравнение относительно xx и yy, которое обращается в тождество при подстановке вместо xx и yy значений x0x_0, y0y_0 в том и только в том случае, когда точка с координатами x0x_0, y0y_0 лежит на этой линии. Например, уравнение y=xy = x есть уравнение биссектрисы I и III координатных углов, а уравнение окружности радиуса aa с центром в начале координат имеет вид x2+y2=a2x^2 + y^2 = a^2.

Пусть данный эллипс с полуосями aa и bb получен как РС окружности радиуса aa с коэффициентом k=bak = \dfrac{b}{a} (рис. 7). Введем на плоскости, содержащей обе эти линии, систему координат следующим образом: ось OxOx направим по оси РС, а ось OyOy — через центр окружности oo, который является и центром эллипса, перпендикулярно к оси OxOx. Пусть mm — точка на окружности, а MM — та точка эллипса, в которую перейдет mm при РС.

Координаты точки mm обозначим через xокрx_{\text{окр}}, yокрy_{\text{окр}}, а точки MM — xэx_\text{э}, yэy_\text{э}. По определению РС xэ=xокрx_\text{э} = x_{\text{окр}}, yэ=kyокрy_\text{э} = k y_{\text{окр}}, откуда

xокр=xэ,yокр=yэk .(∗)x_{\text{окр}} = x_\text{э}, \quad y_{\text{окр}} = \frac{y_\text{э}}{k} \, . \qquad (*)

Если подставить в уравнение окружности x2+y2=a2x^2 + y^2 = a^2 координаты любой точки (xокр, yокр)(x_{\text{окр}},\ y_{\text{окр}}), то будет верно равенство xокр2+yокр2=a2x_{\text{окр}}^2 + y_{\text{окр}}^2 = a^2, и, значит, на основании (∗)(*) верным будет равенство

xэ2+yэ2k2=a2.x_\text{э}^2 + \frac{y_\text{э}^2}{k^2} = a^2.

5


Рис. 8.

Если же точка M′(X′,Y′)M'(X', Y') не лежит на эллипсе, то точка m′(x′,y′)m'(x', y'), переведенная в M′M' в результате РС, не лежала на окружности, и равенство (x′)2+(y′)2=a2(x')^2 + (y')^2 = a^2 неверно, значит, неверно и равенство

(X′)2+(Y′)2k2=a2.(X')^2 + \frac{(Y')^2}{k^2} = a^2.

В соответствии с определением уравнения линии мы получили такое уравнение эллипса: x2+y2k2=a2x^2 + \dfrac{y^2}{k^2} = a^2. Поскольку ka=bka = b, последнее уравнение приводится к виду

x2a2+y2b2=1.(Э)\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1. \tag{Э}

Это и есть уравнение эллипса в наиболее удобной (так называемой канонической) форме.

Наклонные сечения кругового цилиндра

Пересекая круговой цилиндр плоскостями, наклоненными к его основанию под острым углом α\alpha, мы получаем овальные кривые. Докажем, что они являются эллипсами. Для этого достаточно установить, что каждый такой овал получается из окружности в результате РС (а именно — растяжения) с коэффициентом k=1cos⁡αk = \dfrac{1}{\cos\alpha}.

Возьмем (рис. 8) в основании цилиндра два диаметра: cdcd — параллельный и eheh — перпендикулярный к линии пересечения плоскости основания с плоскостью сечения ци-

линдра. Проведем через них и ось цилиндра плоскости cdDCcdDC и ehHEehHE, а также плоскость M0Mmm0M_0Mmm_0, параллельную ehHEehHE, проходящую через некоторую точку MM сечения. Зная, что проекция отрезка на некоторую прямую равна длине этого отрезка, умноженной на косинус угла между ним и его проекцией, получаем

M0Mm0m=OEoe=1cos⁡α=k.\frac{M_0M}{m_0m} = \frac{OE}{oe} = \frac{1}{\cos\alpha} = k.

Если положить обе фигуры CEDHCEDH и cedhcedh на одну плоскость так, чтобы CDCD совместилась с cdcd, то они займут положение, показанное на рисунке 3, причем M0M:m0m=kM_0M : m_0m = k, где k>1k > 1. Этим наше утверждение доказано.

Каждый эллипс с малой полуосью aa и большой bb можно получить как сечение кругового цилиндра, радиус которого равен малой полуоси эллипса. Для этого достаточно провести сечение цилиндра плоскостью, наклоненной к основанию цилиндра под углом, косинус которого равен ab\dfrac{a}{b}. Это всегда возможно, так как здесь ab<1\dfrac{a}{b} < 1.

Проекция окружности — эллипс

Если спроектировать окружность, лежащую в некоторой плоскости, на вторую плоскость, пересекающую первую под острым углом α\alpha, то в проекции получится эллипс. Доказательство этого читатель легко проведет сам, пользуясь рисунком 8, на который нужно теперь смотреть с другой точки зрения: будем линию CEDHCEDH считать окружностью (OC=OD=OE=OH=aOC = OD = OE = OH = a), а проектирующий цилиндр — не круговым, а овальным. Здесь cd=CD=2acd = CD = 2a, eh=EH⋅cos⁡α=2beh = EH \cdot \cos\alpha = 2b. Нужно доказать, что cedhcedh — эллипс (поверхность в этом случае называется эллиптическим цилиндром — по форме перпендикулярного сечения).

Путь доказательства тот же, что и для наклонного сечения кругового ци-

6

7

линдра. На этот раз m0m=M0Mcos⁡αm_0m = M_0M\cos \alpha. Следовательно, овал седh получен из CEDHCEDH в результате PC (на этот раз — скатия) с коэффициентом k=cos⁡α=bak = \cos \alpha = \frac{b}{a}.

Перпендикулярные диаметры окружности проектировятся во взаимно сопряженные диаметры эллипса. Этот факт имеет большое значение в теории изобравжения пространственных фигур на плоскости*).

Фокальное свойство эллипса

Мы переходим к наиболее важному свойству эллипса — фокальному (фокальный — прилагательное от слова фокус**); так называются две заменательные точки, лежащие на большой оси симметрично относительной центра эллипса).

Будем рассматривать эллипс как сечение кругового цилиндра — мы видели, что всегда имеем право это сделать. Вкатим теперь в цилиндр с обонх его концов по шару (того же радиуса, что и цилиндр) так, чтобы она шара стукнулась о плоскосте этого сечения (рис. 9), на геометрическом языке — впищем шары в цилиндр так, чтобы они касались плоскости сечения.

Точки прикосновения F1F_1 и F2F_2 и будут фокусами нашего эллипса.

Каждай шар касается цилиндра по окружности (красной). Возьмем любую точку MM эллипса и отметим ту образушую PQPQ цилиндра, на которой точка MM лежит (PP и QQ — точки этой образушей, лежащие на красных окружности). Ясно, что MF1=MQMF_1 = MQ, так как это длины двух касательных к правому шару, проведенных из MM до точек прикосновения

Рис. 9.

ния F1F_1 и QQ (эти отрезки равны как образушую конуса с вершиной MM, описанного около правого шара). Рассуjdая так же для левого шара, получаем: MF2=MPMF_2 = MP. Сложив оба равенства, имеем

MF1+MF2=MQ+MP=PQ.MF_1 + MF_2 = MQ + MP = PQ.

No длина PQPQ одна и та же для всех образуших цилиндра, это расстояние между плоскостями красных окружностей. Значит, какую бы точку MM на эллипсе ни взять, будет удовлетворять равенство MF1+MF2=constMF_1 + MF_2 = const.

Таким образом, сумма расстояний от любой точки эллипса до двух его фокусов — величины постоянная. В этом и состоит фокальное свойство эллипса. Часто эллипс и определяется как множество точки, лежащих в одной плоскости, для которых сумма расстояний до двух точек (фокусов)—величана постоянная.

Расстояние от каждой фокуса до конца малой оси равно половине длины большей оси эллипса (рис. 10) или, иначе,

c2=a2−b2.c^2 = a^2 - b^2.

В этой формуле aa — большая полуось, bb — малая *) cc — половина

*) См. статью Н. М. Бескина «Изображение пространственных фигур», «Квант», 1970, № 12.

**) Латинское слово «focus» означает очаг. О проинскожении этого термина будет рассказано в следующих странах.

8


Рис. 10.

расстояния между фокусами. Для доказательства этой формулы рассмотрим конец большой оси эллипса (точка CC на рисунке 10). По фокальному свойству CF1+CF2=constCF_1 + CF_2 = \mathrm{const}; вследствии симметрии CF1=DF2CF_1 = DF_2; значит, постоянная const равна CF2+F2DCF_2 + F_2D, то есть большой оси 2a2a. С другой стороны, для конца малой оси, например, EE, EF1+EF2=2aEF_1 + EF_2 = 2a, а так как, в силу симметрии, EF1=EF2EF_1 = EF_2, то каждый из этих отрезков равен aa. Это дает способ построения фокусов эллипса по его осям (рис. 10).

Вычерчивание эллипса при помощи нити

Положим лист бумаги на чертежную доску и приколем к нему две кнопки (или булавки, рис. 11). Набросив на них нитяное кольцо (длина кольца должна быть больше удвоенного расстояния между кнопками), натянем нить острием карандаша, чтобы получился треугольник F1MF2F_1MF_2. Если вести карандаш по бумаге так, чтобы нить оставалась натянутой, то треугольник будет деформироваться, но его периметр останется постоянным. Постоянной будет и длина стороны F1F2F_1F_2; значит, F1M+F2M=constF_1M + F_2M = \mathrm{const} и карандаш опишет эллипс.

Этот способ вычерчивания эллипса используют садовники при изготовлении цветочных эллиптических клумб. Вместо кнопок к землю вты-


Рис. 11.

кают два колышка, кольцо делается из толстой веревки, а эллипс вычерчивается на земле не карандашом, а палкой.

* *
*

Мы не объяснили происхождения названия «эллипс» (на древнегреческом «эллипсис» означает «недостаток» — причем здесь недостаток?), не рассказали о других интересных свойствах этой кривой — свойствах, общих для всех конических сечений: эллипса, гиперболы и параболы. Этому будет посвящена отдельная статья. Но предварительно в ближайших номерах мы познакомимся с гиперболой и параболой.