圆锥曲线嵌套的浅薄研究(完整版)


现在有小椭圆 \(\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1\),以及大椭圆 \(\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=k\;\;(k>1)\)。

在小椭圆上任意找一点 \(A\),做小椭圆的切线,交大椭圆于 \(B\)、\(C\)。

性质 \(1\):\(BC\) 的中点为 \(A\)。

性质 \(2\):\(\triangle OBC\) 面积为定值 \(\sqrt{k-1}ab\)。

分别过 \(B\)、\(C\) 做大椭圆的切线,交于 \(F\)。

性质 \(3\):\(\triangle FBC\) 面积为定值 \((k-1)^\frac{3}{2}ab\)。

过 \(F\) 做小椭圆的切线,切点分别为 \(H\)、\(I\)。

性质 \(4\):\(HI\not\) \(\not\;\;\;\) \(BC\)。

性质 \(5\):\(|HI|=\dfrac{\sqrt{k+1}}{k}|BC|\)。

取 \(HI\) 中点为 \(J\) 。

性质 \(6\):\(O\)、\(J\)、\(A\)、\(F\) 四点共线,且 \(k_{OF}\times k_{BC}=-\dfrac{b^2}{a^2}\)。

性质 \(7\):\(\triangle JBC\) 面积为定值 \(\dfrac{(k-1)^\frac{3}{2}}{k}ab\)。

性质 \(8\):\(\triangle OHI\) 面积为定值 \(\dfrac{\sqrt{k^2-1}}{k^2}ab\)。

性质 \(9\):\(\triangle AHI\) 面积为定值 \(\dfrac{(k-1)^\frac{3}{2}\sqrt{k+1}}{k^2}ab\)。

性质 \(10\):\(\triangle FHI\) 面积为定值 \(\dfrac{(k^2-1)^\frac{3}{2}}{k^2}ab\)。

性质 \(11\):梯形 \(BHIC\) 的面积为定值 \(\dfrac{(k-1)^\frac{3}{2}(\sqrt{k+1}+k)}{k^2}ab\)。

值得注意的是,圆是椭圆的特殊情况,以上结论对同心圆同样成立,在公式中的特殊性体现为关系:\(ab=r^2\)。

图像(啥也看不见):

现在有外双曲线 \(\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=1\),以及内双曲线 \(\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=k\;\;(k>1)\)。

在内双曲线上任意找一点 \(A\),做内双曲线切线,交外双曲线于 \(B\)、\(C\)。

性质 \(1\):\(BC\) 的中点为 \(A\)。

性质 \(2\):\(\triangle OBC\) 面积为定值 \(\sqrt{k-1}ab\)。

分别过 \(B\)、\(C\) 做外双曲线的切线,交于 \(F\)。

性质 \(3\):\(\triangle FBC\) 面积为定值 \(\dfrac{(k-1)^\frac{3}{2}}{\sqrt{k}}ab\)。

过 \(F\) 做内双曲线的切线,切点分别为 \(H\)、\(I\)。

性质 \(4\):\(HI\not\) \(\not\;\;\;\) \(BC\)。

性质 \(5\):\(|HI|=\sqrt{k^2+k}|BC|\)。

取 \(HI\) 中点为 \(J\) 。

性质 \(6\):\(O\)、\(J\)、\(A\)、\(F\) 四点共线,且 \(k_{OF}\times k_{BC}=\dfrac{b^2}{a^2}\)。

性质 \(7\):\(\triangle JBC\) 面积为定值 \((k-1)^\frac{3}{2}\sqrt{k}ab\)。

性质 \(8\):\(\triangle OHI\) 面积为定值 \(k^2\sqrt{k^2-1}ab\)。

性质 \(9\):\(\triangle AHI\) 面积为定值 \((k^2-k)\sqrt{k^2-1}ab\)。

性质 \(10\):\(\triangle FHI\) 面积为定值 \(\dfrac{(k^2-1)^\frac{3}{2}}{k^2}ab\)。

性质 \(11\):梯形 \(BHIC\) 的面积为定值 \((k-1)^\frac{3}{2}(\sqrt{k}+k\sqrt{k+1})ab\)。

性质对于双曲线嵌套:

\[\begin{cases}\dfrac{y^2}{a^2}-\dfrac{x^2}{b^2}=1\\\dfrac{y^2}{a^2}-\dfrac{x^2}{b^2}=k\;\;(k>1)\end{cases} \]

结论显然可以类比,不再赘述。

这个图是真的展现不了了(

这下面是比较好康一点的椭圆的相关拓展(

连接 \(BH\)、\(CI\) 交于 \(D\)。

性质 \(12\):\(O\)、\(J\)、\(A\)、\(F\)、\(D\) 五点共线。

性质 \(13\):\(\triangle BCD\) 面积为定值 \(\dfrac{(k-1)^\frac{3}{2}}{|k-\sqrt{k+1}|}ab\)。

性质 \(14\):\(\triangle DHI\) 面积为定值 \(\dfrac{(k^2-1)\sqrt{k-1}}{k^2|k-\sqrt{k+1}|}ab\)。

性质 \(15\):\(D\) 点的轨迹是椭圆且方程为 \(\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=(\dfrac{\sqrt{k+1}-1}{k-\sqrt{k+1}})^2=\dfrac{k+1-2\sqrt{k+1}}{k^2+k+1-2k\sqrt{k+1}}\;\;\;(k\not=\dfrac{\sqrt{5}+1}{2})\)。

玩到这里,我不禁想到其他几个点的......

性质 \(15\):\(F\) 点的轨迹是椭圆且方程为 \(\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=k^2\)。

性质 \(16\):\(J\) 点的轨迹为椭圆, \(HI\) 始终为该椭圆的切线,并且该椭圆的轨迹方程为 \(\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{1}{k^2}\)。

大概可以找到终极结论(文采不太好,见谅):

从先前讨论的共线点开始,对大椭圆、小椭圆甚至衍生椭圆(就是那些轨迹)做切线,两切点的中点总与 \(O\)、\(A\) 共线。两切点相连形成一条割线,它与其他椭圆都交于一对点,这对点的有着与两切点有相同的性质,比如以这两点为切点做所在椭圆的切线,两切线交点始终与 \(O\)、\(A\) 共线。更进一步来说,我们把这些椭圆上的点任选两对连接求交点,交点总在 \(OA\) 上。同时 \(OA\) 上形成的每一个特殊点的轨迹都是和本源大、小椭圆共中心、等离心率的“衍生椭圆”。更数量化的表现即为在 \(OA\) 上任意取一特殊点,然后在椭圆上的切点对中任选一对,构成的三角形面积总是定值(不随 \(A\) 点的移动而发生改变)。

这个玩意应该对圆锥曲线都成立。

大部分规律没有经过计算验证,如有错误,请为菜鸡博主指出,谢谢资瓷!!1