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[几何] 切点轨迹是二次曲线

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hbghlyj Post time 2024-3-8 05:05 |Read mode
问题:点P在直线DA上,考虑与直线AB,BC,CD,DA相切的二次曲线系,经过点P的切线为DA和PT,求证切点$T$轨迹是二次曲线
output.gif
相关帖子:三个椭圆有四条公共切线

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kuing Post time 2024-3-8 12:08
ABCD 是任意四边形吗?

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 Author| hbghlyj Post time 2024-3-8 16:01
kuing 发表于 2024-3-8 04:08
ABCD 是任意四边形吗?


是的。但可以设ABCD为正方形(RP2把任四点射影变換到任四点).

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kuing Post time 2024-3-9 15:02
hbghlyj 发表于 2024-3-8 16:01
是的。但可以设ABCD为正方形(RP2把任四点射影变換到任四点).


那就不妨设正方形为 `\abs x+\abs y=1`,定点为 `P(u,1-u)`。

设椭圆与正方形在第一象限相切于 `(t,1-t)`, `t\in(0,1)`,则易知此时椭圆方程为
\[\frac{x^2}t+\frac{y^2}{1-t}=1,\]
此时可以用 `P` 的极线与椭圆联立求得另一切点 `T`,从而得到轨迹的参数方程,但我不想联立。

根据 kuing.cjhb.site/forum.php?mod=viewthread&tid=8078&page=1#pid41180(20#)👈️如果 URL 识别包含括号那这个链接就错了,可知,过 `P` 的两切线方程为
\[\frac{\bigl((x-u)(1-u)-u(y-1+u)\bigr)^2}{t(1-t)}=\frac{(x-u)^2}t+\frac{(y-1+u)^2}{1-t},\]
分解为
\[\bigl((t-2u+u^2)x-(t-u^2)y+t-2tu+u^2\bigr)(x+y-1)=0,\]
所以切线 `PT` 的方程便是
\[(t-2u+u^2)x-(t-u^2)y+t-2tu+u^2=0,\quad(*)\]
那么 `T` 就是上式与 `P` 的极线
\[\frac{ux}t+\frac{(1-u)y}{1-t}=1\]
的交点,从式 (*) 中解出 `t` 并代入上式,最终得到 `T` 的方程为
\[(1-u)x^2-xy+uy^2+(1-u)^2x+u^2y-u(1-u)=0.\]

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 Author| hbghlyj Post time 2024-3-9 16:05
kuing 发表于 2024-3-9 07:02
最终得到 `T` 的方程为
\[(1-u)x^2-xy+uy^2+(1-u)^2x+u^2y-u(1-u)=0.\]


$(1-u)x^2-xy+uy^2=-(x - y) (u x + u y - x)$
所以 `T` 是双曲线/抛物线,渐近线平行于$x-y=0$和$(u-1)x+uy=0$.🙂

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 Author| hbghlyj Post time 2024-3-9 16:07
kuing 发表于 2024-3-9 07:02
如果 URL 识别包含括号那这个链接就错了


但是……有的 URL 确实包含括号🤔
kconrad.math.uconn.edu/blurbs/grouptheory/SL(2,Z).pdf

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 Author| hbghlyj Post time 2024-3-9 16:19
kuing 发表于 2024-3-9 07:02
如果 URL 识别包含括号那这个链接就错了

如果 URL 识别包含括号,可以用空格分隔后面的括号🤔,就像@用戶 时用空格分隔用戶名和后面的文本。

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kuing Post time 2024-3-9 17:03
hbghlyj 发表于 2024-3-9 16:07
但是……有的 URL 确实包含括号🤔
kconrad.math.uconn.edu/blurbs/grouptheory/SL(2,Z).pdf ...


那只是个例,相比来说,链接后面有括号的可能性大得多。

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kuing Post time 2024-3-9 17:04
hbghlyj 发表于 2024-3-9 16:19
如果 URL 识别包含括号,可以用空格分隔后面的括号🤔,就像@用戶 时用空格分隔用戶名和后面的文本。 ...

那你就得告诉所有新用户这个注意事项,当然实际上也没人会注意这些细节。
所以我还是认为不包含括号才是合理的。

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 Author| hbghlyj Post time 2024-3-9 19:00
hbghlyj 发表于 2024-3-9 08:05
所以 `T` 是双曲线/抛物线,渐近线平行于$x-y=0$和$(u-1)x+uy=0$.


进一步算得,渐近线为$x-y=(2 u^2 - 2 u + 1)/(2 u-1)$
和$(u-1)x+uy=-((u - 1) u)/(2 u - 1)$

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abababa Post time 2024-3-10 19:56
发maven的证明:
用齐次坐标简单点。设 A(1,0,0), B(0,1,0), D(0,0,1) 是坐标三角形,再设 C(1,1,1),那个二次曲线 Gamma 的矩阵就是
[a, 0, 0]
[0, 0, b]
[0, b, 0]
也就是 x_1^2+(2b/a)x_2x_3 = 0。

显然 AD 的方程是 (0, -1, 0),由 P 在 AD 上可设 P(p, 0, 1),设 T(t_1, t_2, t_3),则 Gamma 在点 T 处的切线为 T.Gamma,此切线与 AD 的交点为 T.Gamma \times AD = (bt_2, 0, -at_1),显然这交点就是 P(p, 0, 1),因此 T(-1/a, p/b, t_3),但 T 在 Gamma 上,满足 Gamma 的方程,代入即有 t_3 = -1/(2ap),于是 T = (-1/a, p/b, -1/(2ap)) = (2p, (2a/b)p^2, 1)

当参数 p 活动时显然这就是二次曲线。

我不是能完全理解,下面是我加的一些注释:
二次曲线的矩阵是一个对称矩阵$M=\begin{bmatrix}
a_{11} & a_{12} & a_{13}\\
a_{12} & a_{22} & a_{23}\\
a_{13} & a_{23} & a_{33}
\end{bmatrix}$,二次曲线的方程就是
\[(x_1,x_2,x_3)M\begin{bmatrix}
x_1\\
x_2\\
x_3
\end{bmatrix}=0\]

其中$(x_1,x_2,x_3)$是齐次坐标,全除以$x_3$得到$(\frac{x_1}{x_3},\frac{x_2}{x_3},1)$,只取前两个就是直角坐标。

过两点$(a_1,a_2,a_3), (b_1,b_2,b_3)$的直线的方程,就是把这两点做叉积,在Mathematic里就是用Cross来做,得到的仍是一个三元向量$(c_1,c_2,c_3)$,而那个直线方程是$c_1x_1+c_2x_2+c_3x_3=0$,这里只用$(c_1,c_2,c_3)$来表示直线,和点的表示形式统一。

两直线$(a_1,a_2,a_3), (b_1,b_2,b_3)$的交点,也是像上面一样用叉积来做。

二次曲线(矩阵为$M$)上一点$P(p_1,p_2,p_3)$的极线(切线)的方程是
\[
(p_1,p_2,p_3)M\begin{bmatrix}
x_1\\
x_2\\
x_3
\end{bmatrix}=0
\]

然后根据这些,就能得到他所说的那些结果。

手机版|悠闲数学娱乐论坛(第3版)

2025-3-6 03:17 GMT+8

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