วงรี

ในวิชาคณิตศาสตร์เป็นวงรีเป็นเส้นโค้งเครื่องบินรอบสองจุดโฟกัสเช่นว่าทุกจุดบนเส้นโค้งผลรวมของทั้งสองระยะทางไปจุดที่น่าสนใจที่เป็นค่าคงที่ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้วงกลมเป็นวงรีซึ่งเป็นวงรีชนิดพิเศษที่จุดโฟกัสทั้งสองเหมือนกัน การยืดตัวของวงรีวัดได้จากความเบี้ยว จำนวนตั้งแต่ ( กรณี จำกัดของวงกลม) ถึง(กรณี จำกัด ของการยืดตัวที่ไม่มีที่สิ้นสุดไม่ใช่วงรีอีกต่อไป แต่เป็นพาราโบลา )

วงรี (สีแดง) ที่ได้จากจุดตัดของ กรวยกับระนาบเอียง
วงรี: สัญกรณ์
วงรี: ตัวอย่างที่เพิ่มความเยื้องศูนย์

วงรีมีวิธีแก้ปัญหาพีชคณิตอย่างง่ายสำหรับพื้นที่ของมัน แต่เป็นเพียงการประมาณสำหรับขอบเขตเท่านั้นซึ่งจำเป็นต้องมีการรวมเพื่อให้ได้คำตอบที่แน่นอน

ในทางวิเคราะห์แล้วสมการของวงรีมาตรฐานที่มีศูนย์กลางอยู่ที่จุดกำเนิดพร้อมความกว้าง และความสูง คือ:

สมมติ จุดโฟกัสคือ สำหรับ . สมการพาราเมตริกมาตรฐานคือ:

วงรีเป็นส่วนปิดของรูปกรวย : เส้นโค้งระนาบติดตามจุดตัดของกรวยด้วยระนาบ (ดูรูป) วงรีมีความคล้ายคลึงกันมากกับอีกสองรูปแบบของภาคตัดกรวย, parabolasและhyperbolasซึ่งทั้งสองมีการเปิดและมากมาย ภาพตัดขวางที่ทำมุมของทรงกระบอกก็เป็นวงรีเช่นกัน

วงรีอาจถูกกำหนดในรูปของจุดโฟกัสหนึ่งจุดและเส้นที่อยู่นอกวงรีที่เรียกว่าdirectrix : สำหรับจุดทั้งหมดบนวงรีอัตราส่วนระหว่างระยะทางถึงโฟกัสและระยะทางไปยังไดเรกริกซ์เป็นค่าคงที่ อัตราส่วนคงที่นี้เป็นค่าความเยื้องศูนย์กลางดังกล่าวข้างต้น:

.

วงรีเป็นเรื่องธรรมดาในฟิสิกส์ , ดาราศาสตร์และวิศวกรรม ยกตัวอย่างเช่นวงโคจรของดาวเคราะห์แต่ละในระบบสุริยะจะอยู่ที่ประมาณวงรีมีดวงอาทิตย์ที่จุดโฟกัสหนึ่ง (อย่างแม่นยำมากขึ้น, โฟกัสเป็นbarycenterของคู่ดวงอาทิตย์ดาวเคราะห์) เช่นเดียวกับดวงจันทร์ที่โคจรรอบดาวเคราะห์และระบบอื่น ๆ ทั้งหมดของร่างกายทางดาราศาสตร์สองดวง รูปร่างของดาวเคราะห์และดาวมักจะมีการอธิบายไว้อย่างดีจากellipsoids วงกลมมองจากรูปลักษณ์ที่มุมข้างเคียงเช่นวงรี: ที่เป็นวงรีเป็นภาพของวงกลมภายใต้ขนานหรือมุมมองของการฉาย วงรีนอกจากนี้ยังเป็นที่ง่ายรูป Lissajousเกิดขึ้นเมื่อการเคลื่อนไหวในแนวนอนและแนวตั้งไซน์ที่มีความถี่เดียวกัน: ผลที่คล้ายกันนำไปสู่การโพลาไรซ์รูปไข่ของแสงในเลนส์

ชื่อἔλλειψις ( Elleipsis "ละเลย") ได้รับโดยApollonius ของ PergaในเขาConics

วงรี: นิยามโดยผลรวมของระยะทางถึงจุดโฟกัส
วงรี: นิยามตามโฟกัสและไดเร็กซ์วงกลม

วงรีสามารถกำหนดทางเรขาคณิตเป็นเซตหรือตำแหน่งของจุดในระนาบยุคลิด:

กำหนดสองจุดคงที่ เรียกว่าจุดโฟกัสและระยะทาง ซึ่งมากกว่าระยะห่างระหว่างจุดโฟกัสวงรีคือเซตของจุด นั่นคือผลรวมของระยะทาง เท่ากับ :

จุดกึ่งกลาง ของส่วนของเส้นตรงที่เข้าร่วมจุดโฟกัสเรียกว่าจุดศูนย์กลางของวงรี เส้นผ่านจุดโฟกัสที่เรียกว่าแกนหลักและตั้งฉากกับมันเส้นผ่านศูนย์เป็นแกนเล็ก ๆ น้อย ๆแกนหลักตัดวงรีที่จุดยอดสองจุด ซึ่งมีระยะทาง ไปที่ศูนย์ ระยะทางของจุดโฟกัสไปยังศูนย์กลางเรียกว่าระยะโฟกัสหรือความเยื้องศูนย์กลางเชิงเส้น ผลหารเป็นความผิดปกติ

กรณี ให้วงกลมและรวมเป็นวงรีชนิดพิเศษ

สมการ สามารถดูได้หลายวิธี (ดูรูป):

ถ้า คือวงกลมที่มีจุดกึ่งกลาง และรัศมี แล้วระยะห่างของจุด ไปที่วงกลม เท่ากับระยะโฟกัส :

เรียกว่าวงกลม directrix (เกี่ยวข้องกับโฟกัส) ของวงรี [1] [2]คุณสมบัตินี้ไม่ควรสับสนกับความหมายของวงรีโดยใช้เส้นกำกับด้านล่าง

ใช้ทรงกลม Dandelinหนึ่งสามารถพิสูจน์ได้ว่าส่วนใด ๆ ของเครื่องบินกรวยกับเครื่องบินเป็นวงรีสมมติว่าเครื่องบินไม่ได้มีปลายยอดและมีความลาดชันน้อยกว่าที่ของสายที่กรวย

พารามิเตอร์รูปร่าง:
  • a : แกนกึ่งสำคัญ
  • b : แกนกึ่งรอง
  • c : ความเยื้องศูนย์เชิงเส้น
  • p : ทวารหนักกึ่ง latus (โดยปกติ).

สมการมาตรฐาน

รูปแบบมาตรฐานของวงรีในพิกัดคาร์ทีเซียนจะถือว่าจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลางของวงรีแกนxคือแกนหลักและ:

จุดโฟกัสคือจุด ,
จุดยอดคือ .

สำหรับจุดโดยพลการ ระยะโฟกัส คือ และไปยังจุดสนใจอื่น ๆ . ดังนั้นประเด็น อยู่บนวงรีเมื่อใดก็ตาม:

การกำจัดอนุมูลโดยการยกกำลังสองที่เหมาะสมและใช้สร้างสมการมาตรฐานของวงรี: [3]

หรือแก้ไขสำหรับy:

พารามิเตอร์ความกว้างและความสูง จะเรียกว่ากึ่งแกนสำคัญและกึ่งรอง จุดบนและล่างเป็นผู้ร่วมจุด- ระยะทางจากจุดหนึ่ง บนวงรีไปทางซ้ายและขวาโฟกัสคือ และ .

ตามมาจากสมการที่วงรีสมมาตรเมื่อเทียบกับแกนพิกัดและด้วยเหตุนี้จึงเกี่ยวกับจุดกำเนิด

พารามิเตอร์

แกนหลัก

ตลอดบทความนี้จะแสดงแกนกึ่งหลักและกึ่งรอง และ ตามลำดับกล่าวคือ

โดยหลักการแล้วสมการวงรีที่เป็นที่ยอมรับ อาจจะมี (และด้วยเหตุนี้วงรีจึงสูงกว่าความกว้าง) แบบฟอร์มนี้สามารถแปลงเป็นรูปแบบมาตรฐานได้โดยการย้ายชื่อตัวแปร และ และชื่อพารามิเตอร์ และ

ความเยื้องศูนย์เชิงเส้น

นี่คือระยะทางจากจุดศูนย์กลางถึงโฟกัส: .

ความเยื้องศูนย์

ความเยื้องศูนย์สามารถแสดงเป็น:

,

สมมติ วงรีที่มีแกนเท่ากัน () มีความเยื้องศูนย์เป็นศูนย์และเป็นวงกลม

ทวารหนักกึ่งลาตัส

ความยาวของคอร์ดผ่านโฟกัสตั้งฉากกับแกนหลักที่เรียกว่าทวารหนัก Latus ครึ่งหนึ่งเป็นทวารหนักกึ่งลาตัส . การคำนวณแสดง:

[4]

ทวารหนักกึ่งลาตัส เท่ากับรัศมีความโค้งที่จุดยอด (ดูส่วนโค้ง )

สัมผัส

เส้นโดยพลการ ตัดกับวงรีที่ , , หรือ จุดตามลำดับเรียกว่าสายนอก , สัมผัสและsecant ผ่านจุดใด ๆ ของวงรีจะมีแทนเจนต์ที่ไม่ซ้ำกัน แทนเจนต์ที่จุด ของวงรี มีสมการพิกัด:

สมการพาราเมตริกเวกเตอร์ของแทนเจนต์คือ:

ด้วย

หลักฐาน:ให้ เป็นจุดบนวงรีและ เป็นสมการของเส้นใดก็ได้ ที่มี . การแทรกสมการของเส้นลงในสมการวงรีและการเคารพ ผลตอบแทน:

มีกรณีดังต่อไปนี้:
  1. จากนั้นบรรทัด และวงรีมีจุดเท่านั้น เหมือนกันและ เป็นแทนเจนต์ ทิศทางแทนเจนต์มีเวกเตอร์ตั้งฉาก เส้นสัมผัสจึงมีสมการ สำหรับบางคน . เพราะ อยู่บนแทนเจนต์และวงรีหนึ่งได้รับ .
  2. จากนั้นบรรทัด มีจุดที่สองที่เหมือนกันกับวงรีและเป็นตัวคั่น

การใช้ (1) หนึ่งพบว่า คือเวกเตอร์แทนเจนต์ที่จุด ซึ่งพิสูจน์สมการเวกเตอร์

ถ้า และ เป็นสองจุดของวงรี จากนั้นจุดจะอยู่บนเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกตสองเส้น (ดูด้านล่าง ) (ถ้าวงรีคือวงกลมและ "คอนจูเกต" หมายถึง "มุมฉาก")

วงรีกะ

ถ้าวงรีมาตรฐานถูกเลื่อนให้มีจุดศูนย์กลาง สมการของมันคือ

แกนยังคงขนานกับแกน x และแกน y


วงรีทั่วไป

ในเรขาคณิตวิเคราะห์วงรีถูกกำหนดให้เป็นกำลังสอง : ชุดของจุดของระนาบคาร์ทีเซียนซึ่งในกรณีที่ไม่เสื่อมสภาพจะเป็นไปตามสมการโดยนัย[5] [6]

ให้

ในการแยกแยะกรณีเสื่อมออกจากกรณีที่ไม่เสื่อมสภาพให้เป็นตัวกำหนด

จากนั้นวงรีจะเป็นวงรีจริงที่ไม่เสื่อมสภาพก็ต่อเมื่อC∆ <0 เท่านั้นถ้าC∆ > 0 เรามีวงรีในจินตนาการและถ้า = 0 แสดงว่าเรามีจุดวงรี [7] : น. 63

ค่าสัมประสิทธิ์ของสมการทั่วไปสามารถหาได้จากแกนกึ่งหลักที่ทราบ แกนกึ่งรอง , พิกัดกลาง และมุมการหมุน (มุมจากแกนนอนบวกไปยังแกนหลักของวงรี) โดยใช้สูตร:

นิพจน์เหล่านี้ได้มาจากสมการบัญญัติ โดยการแปลงความสัมพันธ์ของพิกัด :

ในทางกลับกันพารามิเตอร์รูปแบบบัญญัติสามารถหาได้จากค่าสัมประสิทธิ์รูปแบบทั่วไปโดยสมการ:

การสร้างจุดตามสมการพาราเมตริกและการตีความพารามิเตอร์ tซึ่งเกิดจาก de la Hire
จุดวงรีคำนวณโดยการแสดงเหตุผลด้วยพารามิเตอร์ที่เว้นระยะห่างเท่ากัน ( ).

การแทนค่าพารามิเตอร์มาตรฐาน

การใช้ฟังก์ชันตรีโกณมิติการแสดงพาราเมตริกของวงรีมาตรฐาน คือ:

พารามิเตอร์t (เรียกว่าความผิดปกติทางดาราศาสตร์) ไม่ใช่มุมของด้วยแกนxแต่มีความหมายทางเรขาคณิตเนื่องจากPhilippe de La Hire (ดูการวาดจุดไข่ปลาด้านล่าง) [8]

การแสดงเหตุผล

ด้วยการเปลี่ยนตัว และสูตรตรีโกณมิติที่เราได้รับ

และสมการพาราเมตริกเชิงเหตุผลของวงรี

ซึ่งครอบคลุมจุดใด ๆ ของวงรี ยกเว้นจุดยอดด้านซ้าย .

สำหรับ สูตรนี้แสดงถึงไตรมาสบนด้านขวาของวงรีที่เคลื่อนที่ทวนเข็มนาฬิกาโดยเพิ่มขึ้น จุดยอดด้านซ้ายคือขีด จำกัด

การแสดงเชิงเหตุผลของภาคตัดกรวยมักใช้ในการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (ดูเส้นโค้ง Bezier )

ความชันแทนเจนต์เป็นพารามิเตอร์

การแสดงพาราเมตริกซึ่งใช้ความชัน ของแทนเจนต์ที่จุดหนึ่งของวงรีสามารถหาได้จากอนุพันธ์ของการแทนค่ามาตรฐาน :

ด้วยความช่วยเหลือของสูตรตรีโกณมิติหนึ่งจะได้รับ:

การเปลี่ยน และ ของการแสดงมาตรฐานให้ผลตอบแทน:

ที่นี่ คือความชันของเส้นสัมผัสที่จุดวงรีที่สอดคล้องกัน คือส่วนบนและ ครึ่งล่างของวงรี จุดยอดการมีเส้นสัมผัสในแนวตั้งจะไม่ครอบคลุมโดยการแสดง

สมการของแทนเจนต์ที่จุด มีแบบฟอร์ม . ยังไม่ทราบ สามารถกำหนดได้โดยการแทรกพิกัดของจุดวงรีที่เกี่ยวข้อง :

รายละเอียดของเสียบ้างของวงรีนี้เป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับความมุ่งมั่นของorthopticของวงรี บทความเกี่ยวกับกระดูกมีข้อพิสูจน์อื่นโดยไม่มีแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และสูตรตรีโกณมิติ

วงรีทั่วไป

วงรีเป็นภาพเหมือนของวงกลมหน่วย

คำจำกัดความอีกประการหนึ่งของวงรีใช้การแปลงความสัมพันธ์ :

วงรี ใด ๆ คือรูปเหมือนของวงกลมหน่วยที่มีสมการ .
การแสดงพารามิเตอร์

การเปลี่ยนแปลงของเครื่องบินแบบยุคลิดมีรูปแบบ , ที่ไหน เป็นปกติเมทริกซ์ (ที่มีไม่ใช่ศูนย์ปัจจัย ) และเป็นเวกเตอร์ตามอำเภอใจ ถ้า คือเวกเตอร์คอลัมน์ของเมทริกซ์ วงกลมหน่วย , ถูกแมปลงบนวงรี:

ที่นี่ เป็นศูนย์กลางและ เป็นทิศทางของเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกตสองเส้นโดยทั่วไปไม่ตั้งฉาก

จุดยอด

จุดยอดทั้งสี่ของวงรีคือ สำหรับพารามิเตอร์ ที่กำหนดโดย:

(ถ้า แล้ว .) ได้มาดังนี้ เวกเตอร์แทนเจนต์ที่จุด คือ:

ที่พารามิเตอร์จุดยอด แทนเจนต์ตั้งฉากกับแกนหลัก / แกนรองดังนั้น:

การขยายและใช้ข้อมูลประจำตัว ให้สมการสำหรับ

พื้นที่

จากทฤษฎีบท Apollonios (ดูด้านล่าง) หนึ่งได้รับ:
พื้นที่ของวงรี คือ

Semiaxes

ด้วยตัวย่อ ข้อความของทฤษฎีบทของ Apollonios สามารถเขียนได้ดังนี้:

การแก้ระบบไม่เชิงเส้นนี้สำหรับ ให้ผล semiaxes:

การแสดงโดยนัย

การแก้การแสดงพาราเมตริกสำหรับ ตามกฎของ Cramerและการใช้หนึ่งได้รับการแสดงโดยนัย

.

ตรงกันข้าม: ถ้าสมการ

ด้วย

ของวงรีที่อยู่ตรงกลางจุดกำเนิดจะได้รับจากนั้นเวกเตอร์สองตัว

ชี้ไปที่จุดคอนจูเกตสองจุดและเครื่องมือที่พัฒนาข้างต้นสามารถใช้ได้

ตัวอย่าง : สำหรับวงรีที่มีสมการ เวกเตอร์คือ

.
Whirls: วงรีที่ซ้อนกันปรับขนาดและหมุน ไม่ได้วาดเกลียว: เราเห็นว่ามันเป็นที่ ตั้งของจุดที่จุดไข่ปลาอยู่ใกล้กันเป็นพิเศษ
วงรีมาตรฐานหมุน

สำหรับ หนึ่งได้รับการแสดงพาราเมตริกของวงรีมาตรฐานที่หมุนตามมุม:

วงรีในอวกาศ

คำจำกัดความของวงรีในส่วนนี้ให้การแทนค่าพาราเมตริกของวงรีตามอำเภอใจแม้ในอวกาศหากอนุญาต เป็นเวกเตอร์ในอวกาศ

รูปแบบเชิงขั้วเทียบกับศูนย์

พิกัดเชิงขั้วมีศูนย์กลางอยู่ที่จุดศูนย์กลาง

ในพิกัดเชิงขั้วโดยมีจุดกำเนิดอยู่ที่ศูนย์กลางของวงรีและด้วยพิกัดเชิงมุมวัดจากแกนหลักสมการของวงรีคือ[7] : p 75

รูปแบบเชิงขั้วสัมพันธ์กับโฟกัส

พิกัดเชิงขั้วอยู่กึ่งกลางที่โฟกัส

ถ้าเราใช้พิกัดเชิงขั้วกับจุดเริ่มต้นที่จุดโฟกัสเดียวแทนพิกัดเชิงมุม ยังคงวัดจากแกนหลักสมการของวงรีคือ

โดยที่เครื่องหมายในตัวส่วนเป็นลบหากทิศทางอ้างอิง ชี้ไปที่จุดศูนย์กลาง (ตามภาพประกอบด้านขวา) และเป็นบวกหากทิศทางนั้นชี้ออกไปจากจุดศูนย์กลาง

ในกรณีทั่วไปเล็กน้อยของวงรีโดยมีจุดโฟกัสหนึ่งจุดที่จุดเริ่มต้นและอีกจุดโฟกัสที่พิกัดเชิงมุม รูปแบบขั้วคือ

มุม ในสูตรเหล่านี้เรียกว่าความผิดปกติที่แท้จริงของจุด ตัวเศษของสูตรเหล่านี้คือทวารหนักกึ่งลาตัส .

วงรี: คุณสมบัติ directrix

แต่ละเส้นทั้งสองขนานกับแกนรองและมีระยะห่างกัน จากนั้นเรียกว่าdirectrixของวงรี (ดูแผนภาพ)

สำหรับจุดโดยพลการ ของวงรีผลหารของระยะทางไปยังโฟกัสหนึ่งและไปยังไดเรกริกซ์ที่สอดคล้องกัน (ดูแผนภาพ) จะเท่ากับความเยื้องศูนย์:

หลักฐานสำหรับคู่ ตามมาจากความจริงที่ว่า และ ตอบสนองสมการ

กรณีที่สองได้รับการพิสูจน์แบบอะนาล็อก

การสนทนายังเป็นจริงและสามารถใช้เพื่อกำหนดวงรี (ในลักษณะที่คล้ายกับคำจำกัดความของพาราโบลา):

สำหรับจุดใด ๆ (โฟกัส) บรรทัดใดก็ได้ (directrix) ไม่ผ่าน และจำนวนจริงใด ๆ ด้วย วงรีเป็นที่ตั้งของจุดที่ผลหารของระยะทางไปยังจุดและเส้นคือ นั่นคือ:

ตัวเลือก ซึ่งเป็นความเบี้ยวของวงกลมไม่ได้รับอนุญาตในบริบทนี้ เราอาจพิจารณาว่าเส้นตรงของวงกลมเป็นเส้นที่ไม่มีที่สิ้นสุด

(ตัวเลือก ให้พาราโบลาและถ้าเป็นhyperbola .)

ดินสอรูปกรวยที่มีจุดยอดทั่วไปและทวารหนักกึ่งลาตัสทั่วไป
หลักฐาน

ปล่อย และถือว่า คือจุดบนเส้นโค้ง Directrix มีสมการ . ด้วย, ความสัมพันธ์ สร้างสมการ

และ

การเปลี่ยนตัว ผลตอบแทน

นี่คือสมการของวงรี () หรือพาราโบลา () หรือไฮเพอร์โบลา (). รูปกรวยที่ไม่เสื่อมสภาพทั้งหมดนี้มีจุดกำเนิดเป็นจุดยอดเหมือนกัน (ดูแผนภาพ)

ถ้า แนะนำพารามิเตอร์ใหม่ ดังนั้น แล้วสมการด้านบนจะกลายเป็น

ซึ่งเป็นสมการของวงรีที่มีจุดศูนย์กลาง , แกนxเป็นแกนหลักและแกนกึ่งหลัก / รอง.

การสร้าง directrix
การสร้าง directrix

เพราะว่า จุด ของ directrix (ดูแผนภาพ) และโฟกัส ผกผันกับวงกลมผกผันที่วงกลม(ในแผนภาพสีเขียว) ดังนั้นสามารถสร้างได้ดังแสดงในแผนภาพ Directrix คือตั้งฉากกับแกนหลักที่จุด .

วงรีทั่วไป

หากโฟกัสอยู่ที่ และ directrix หนึ่งได้รับสมการ

(ด้านขวาของสมการใช้รูปแบบปกติของHesseในการคำนวณระยะทาง.)

วงรี: เส้นสัมผัสแบ่งครึ่งมุมเสริมของมุมระหว่างเส้นกับจุดโฟกัส
รังสีจากโฟกัสหนึ่งสะท้อนออกจากวงรีเพื่อส่งผ่านโฟกัสอีกจุดหนึ่ง

วงรีมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

ตามปกติที่จุด แบ่งมุมระหว่างเส้น .
หลักฐาน

เนื่องจากแทนเจนต์ตั้งฉากกับค่าปกติข้อความนี้จึงเป็นจริงสำหรับแทนเจนต์และมุมเสริมของมุมระหว่างเส้นกับจุดโฟกัส (ดูแผนภาพ) ด้วย

ปล่อย เป็นประเด็นบนเส้น ด้วยระยะทาง ไปที่โฟกัส , คือแกนกึ่งสำคัญของวงรี ให้บรรทัด เป็นเส้นแบ่งครึ่งของมุมเสริมกับมุมระหว่างเส้น . เพื่อที่จะพิสูจน์ว่า คือเส้นสัมผัสที่จุด หนึ่งตรวจสอบว่าจุดใด ออนไลน์ ซึ่งแตกต่างจาก ไม่สามารถอยู่บนวงรี ดังนั้น มีจุดเดียว เหมือนกันกับวงรีและดังนั้นแทนเจนต์ที่จุด .

จากแผนภาพและอสมการสามเหลี่ยมเรารับรู้สิ่งนั้น ถือซึ่งหมายความว่า: . ความเท่าเทียมกันเป็นความจริงจากทฤษฎีบทมุมไบเซคเตอร์เนื่องจาก และ . แต่ถ้า เป็นจุดของวงรีผลรวมควรเป็น .

แอปพลิเคชัน

รังสีจากโฟกัสหนึ่งจะสะท้อนโดยวงรีไปยังโฟกัสที่สอง คุณสมบัตินี้มีการใช้งานด้านแสงและอะคูสติกคล้ายกับคุณสมบัติสะท้อนแสงของพาราโบลา (ดูแกลเลอรีกระซิบ )

ความหมายของเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกต

เส้นผ่านศูนย์กลางมุมฉากของวงกลมที่มีเส้นสัมผัสจุดกึ่งกลางของคอร์ดคู่ขนานและภาพเหมือนกันซึ่งเป็นวงรีที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกตรูปสี่เหลี่ยมด้านขนานของเส้นสัมผัสและจุดกึ่งกลางของคอร์ด

วงกลมมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

จุดกึ่งกลางของคอร์ดขนานอยู่บนเส้นผ่านศูนย์กลาง

การแปลงคอนฟินรักษาความขนานและจุดกึ่งกลางของส่วนของเส้นดังนั้นคุณสมบัตินี้จึงเป็นจริงสำหรับวงรีใด ๆ (โปรดทราบว่าคอร์ดขนานและเส้นผ่านศูนย์กลางจะไม่ตั้งฉากกันอีกต่อไป)

คำจำกัดความ

สองเส้นผ่านศูนย์กลาง ของวงรีจะผันออกหากจุดกึ่งกลางของคอร์ดขนานกับ นอนบน

จากแผนภาพพบว่า:

สองเส้นผ่านศูนย์กลาง ของวงรีจะผันเมื่อใดก็ตามที่แทนเจนต์ที่ และ ขนานกับ .

Conjugate diameters ในวงรีจะแสดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมุมฉากในวงกลม

ในสมการพาราเมตริกสำหรับวงรีทั่วไปที่ให้ไว้ข้างต้น

คู่ของจุดใดก็ได้ เป็นของเส้นผ่านศูนย์กลางและคู่ เป็นของเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกต

ทฤษฎีบทของ Apollonios เกี่ยวกับเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกต

ทฤษฎีบทของ Apollonios
สำหรับสูตรพื้นที่ทางเลือก

สำหรับวงรีที่มีกึ่งแกน ต่อไปนี้เป็นจริง: [9] [10]

ปล่อย และ เป็นครึ่งหนึ่งของเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกตสองอัน (ดูแผนภาพ) จากนั้น
  1. .
  2. สามเหลี่ยม กับด้านข้าง (ดูแผนภาพ) มีพื้นที่คงที่ ซึ่งสามารถแสดงโดย เช่นกัน คือระดับความสูงของจุด และ มุมระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งหนึ่ง ดังนั้นพื้นที่ของวงรี (ดูคุณสมบัติเมตริกส่วน) สามารถเขียนเป็น.
  3. รูปสี่เหลี่ยมด้านขนานของแทนเจนต์ที่อยู่ติดกับเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกตที่กำหนดมี
หลักฐาน

ให้วงรีอยู่ในรูปแบบบัญญัติด้วยสมการพาราเมตริก

.

ทั้งสองจุด อยู่บนเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกต (ดูหัวข้อก่อนหน้า) จากสูตรตรีโกณมิติหนึ่งได้รับ และ

พื้นที่ของสามเหลี่ยมที่สร้างขึ้นโดย คือ

และจากแผนภาพจะเห็นได้ว่าพื้นที่ของรูปสี่เหลี่ยมด้านขนานเป็น 8 เท่าของ . ดังนั้น

วงรีมีออร์โธปิดิกส์

สำหรับวงรี จุดตัดกันของเส้นสัมผัสมุมฉากอยู่บนวงกลม.

วงกลมนี้เรียกว่าorthoptic or director circleของวงรี (เพื่อไม่ให้สับสนกับวงกลม directrix ที่กำหนดไว้ด้านบน)

การฉายภาพกลางวงกลม (ประตู)

วงรีปรากฏในรูปทรงเรขาคณิตบรรยายเป็นรูปภาพ (เส้นขนานหรือเส้นโครงกลาง) ของวงกลม มีเครื่องมือต่างๆในการวาดวงรี คอมพิวเตอร์เป็นวิธีการวาดวงรีที่รวดเร็วและแม่นยำที่สุด อย่างไรก็ตามมีเครื่องมือทางเทคนิค ( ellipsographs ) ในการวาดวงรีโดยไม่ต้องใช้คอมพิวเตอร์ หลักการของ ellipsographs เป็นที่รู้กันในหมู่นักคณิตศาสตร์ชาวกรีกเช่นอาร์คิมีดีสและโปรโคล

ถ้าไม่มี ellipsograph ใช้ได้หนึ่งสามารถวาดวงรีใช้การประมาณโดยวงกลมสี่ osculating ที่จุด

สำหรับวิธีการใด ๆ ที่อธิบายไว้ด้านล่างจำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับแกนและกึ่งแกน (หรือเทียบเท่า: จุดโฟกัสและแกนกึ่งหลัก) หากข้อสันนิษฐานนี้ไม่เป็นจริงเราจะต้องทราบเส้นผ่านศูนย์กลางคอนจูเกตอย่างน้อยสองเส้น ด้วยความช่วยเหลือในการก่อสร้างของ Rytz ทำให้สามารถดึงแกนและกึ่งแกนได้

การก่อสร้างจุดของ La Hire

การก่อสร้างต่อไปนี้จุดเดียวของวงรีเป็นเพราะDe La เช่า [11]มันขึ้นอยู่กับการแสดงพาราเมตริกมาตรฐาน ของวงรี:

  1. วาดวงกลมสองวงที่อยู่ตรงกลางของวงรีด้วยรัศมี และแกนของวงรี
  2. ลากเส้นผ่านจุดศูนย์กลางซึ่งตัดวงกลมสองวงที่จุด และ ตามลำดับ
  3. วาดเส้นผ่านที่ขนานกับแกนรองและเส้นผ่านที่ขนานกับแกนหลัก เส้นเหล่านี้มาบรรจบกันที่จุดวงรี (ดูแผนภาพ)
  4. ทำซ้ำขั้นตอน (2) และ (3) โดยให้เส้นต่างกันผ่านตรงกลาง
วงรี: วิธีการของคนสวน

วิธีพินและสตริง

การกำหนดลักษณะของวงรีเป็นตำแหน่งของจุดเพื่อให้ผลรวมของระยะทางไปยังจุดโฟกัสเป็นค่าคงที่นำไปสู่วิธีการวาดหนึ่งโดยใช้หมุดวาดสองอันความยาวของสตริงและดินสอ ในวิธีนี้หมุดจะถูกดันเข้าไปในกระดาษที่จุดสองจุดซึ่งจะกลายเป็นจุดโฟกัสของวงรี สตริงถูกผูกไว้ที่ปลายแต่ละด้านกับหมุดสองอัน ความยาวหลังจากผูกคือ. จากนั้นปลายดินสอจะติดตามวงรีหากมีการขยับในขณะที่ทำให้สายตึง ใช้สองหมุดและเชือกชาวสวนใช้ขั้นตอนนี้จะร่างดอกไม้รูปไข่เตียงจึงจะเรียกว่าวงรีสวน

วิธีการที่คล้ายกันสำหรับการวาดวงรี confocalกับปิดสตริงเป็นเพราะชาวไอริชบิชอปชาร์ลส์เกรฟส์

วิธีแถบกระดาษ

สองวิธีต่อไปนี้อาศัยการแสดงพารามิเตอร์ (ดูส่วนการแสดงพาราเมตริกด้านบน):

การเป็นตัวแทนนี้สามารถจำลองได้ในทางเทคนิคโดยใช้สองวิธีง่ายๆ ในทั้งสองกรณีอยู่กึ่งกลางแกนและกึ่งแกน ต้องเป็นที่รู้จัก

วิธีที่ 1

วิธีแรกเริ่มต้นด้วย

แถบกระดาษยาว .

จุดที่แกนกึ่งบรรจบกันจะถูกทำเครื่องหมายโดย . หากแถบเลื่อนโดยให้ปลายทั้งสองข้างอยู่บนแกนของวงรีที่ต้องการให้ชี้ติดตามวงรี สำหรับการพิสูจน์หนึ่งแสดงให้เห็นจุดนั้น มีการแสดงพาราเมตริก โดยที่พารามิเตอร์ คือมุมของความลาดเอียงของแถบกระดาษ

การทำให้เกิดการเคลื่อนไหวของแถบกระดาษเป็นจริงได้โดยคู่รัก Tusi (ดูภาพเคลื่อนไหว) อุปกรณ์สามารถวาดวงรีใดก็ได้โดยมีผลรวมคงที่ซึ่งก็คือรัศมีของวงกลมขนาดใหญ่ ข้อ จำกัด นี้อาจเป็นผลเสียในชีวิตจริง มีความยืดหยุ่นมากขึ้นคือวิธีแถบกระดาษที่สอง

รูปแบบของแถบกระดาษวิธีที่ 1 ใช้การสังเกตว่าจุดกึ่งกลาง ของแถบกระดาษเคลื่อนที่เป็นวงกลมโดยมีจุดศูนย์กลาง (ของวงรี) และรัศมี . ดังนั้นจึงสามารถตัดแถบกระดาษตรงจุดได้ แบ่งออกเป็นครึ่งหนึ่งเชื่อมต่ออีกครั้งด้วยข้อต่อที่ และปลายบานเลื่อน แก้ไขที่ศูนย์ (ดูแผนภาพ) หลังจากการดำเนินการนี้การเคลื่อนไหวของแถบกระดาษครึ่งหนึ่งที่ไม่เปลี่ยนแปลงจะไม่เปลี่ยนแปลง [12]รูปแบบนี้ต้องใช้รองเท้าเลื่อนเพียงอันเดียว

การสร้างวงรี: วิธีแถบกระดาษ 2
วิธีที่ 2

วิธีที่สองเริ่มต้นด้วย

แถบกระดาษยาว .

หนึ่งทำเครื่องหมายจุดซึ่งแบ่งแถบออกเป็นสองส่วนย่อยที่มีความยาว และ . แถบวางอยู่บนแกนตามที่อธิบายไว้ในแผนภาพ จากนั้นปลายด้านที่ว่างของแถบจะติดตามวงรีในขณะที่แถบเลื่อน สำหรับการพิสูจน์เราตระหนักดีว่าจุดติดตามสามารถอธิบายได้โดยใช้พารามิเตอร์โดยที่พารามิเตอร์ คือมุมของความลาดเอียงของแถบกระดาษ

วิธีนี้เป็นพื้นฐานสำหรับรูปไข่ปลาหลาย ๆ แบบ(ดูหัวข้อด้านล่าง)

เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงของวิธีแถบกระดาษ 1 สามารถกำหนดรูปแบบของแถบกระดาษวิธีที่ 2ได้ (ดูแผนภาพ) โดยการตัดส่วนระหว่างแกนออกเป็นครึ่งหนึ่ง

ส่วนใหญ่ ellipsograph ร่างตราสารจะขึ้นอยู่กับวิธีการ paperstrip ที่สอง

การประมาณวงรีที่มีวงกลมสั่น

การประมาณโดยการหมุนวงกลม

จากคุณสมบัติเมตริกด้านล่างหนึ่งจะได้รับ:

  • รัศมีความโค้งที่จุดยอด คือ:
  • รัศมีความโค้งที่จุดร่วม คือ:

แผนภาพแสดงวิธีง่ายๆในการค้นหาจุดศูนย์กลางของความโค้ง ที่จุดยอด และจุดยอดร่วม ตามลำดับ:

  1. ทำเครื่องหมายจุดเสริม และวาดส่วนของเส้นตรง
  2. ลากเส้นผ่าน ซึ่งตั้งฉากกับเส้น
  3. จุดตัดของเส้นนี้กับแกนคือจุดศูนย์กลางของวงกลมที่กำลังสั่น

(หลักฐาน: การคำนวณอย่างง่าย)

จุดศูนย์กลางของจุดยอดที่เหลืออยู่โดยสมมาตร

ด้วยความช่วยเหลือของเส้นโค้งฝรั่งเศสหนึ่งดึงเส้นโค้งซึ่งมีการติดต่อราบรื่นกับวงการ osculating

รุ่น Steiner

วงรี: Steiner generation
วงรี: Steiner generation

วิธีการต่อไปนี้ในการสร้างจุดเดียวของวงรีขึ้นอยู่กับการสร้าง Steiner ของส่วนรูปกรวย :

ให้ดินสอสอง แท่ง ของเส้นสองจุด (ทุกบรรทัดที่มี และ ตามลำดับ) และการทำแผนที่แบบฉายภาพ แต่ไม่ใช่มุมมอง ของ ไปยัง จากนั้นจุดตัดของเส้นที่สอดคล้องกันจะก่อให้เกิดส่วนที่เป็นรูปกรวยฉายที่ไม่เสื่อมสภาพ

สำหรับการสร้างจุดของวงรี หนึ่งใช้ดินสอที่จุดยอด . ปล่อย เป็นจุดยอดร่วมบนของวงรีและ .

เป็นศูนย์กลางของสี่เหลี่ยมผืนผ้า . ด้านข้าง ของรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าถูกแบ่งออกเป็นส่วนของเส้นที่มีระยะห่างเท่า ๆ กันและการแบ่งนี้จะฉายขนานกับเส้นทแยงมุม เป็นทิศทางไปยังส่วนของเส้นตรง และกำหนดส่วนตามที่แสดงในแผนภาพ การฉายภาพคู่ขนานร่วมกับการกลับด้านของการวางแนวเป็นส่วนหนึ่งของการทำแผนที่แบบฉายภาพระหว่างดินสอที่ และ จำเป็น จุดตัดของเส้นสองเส้นที่เกี่ยวข้องกัน และ คือจุดของวงรีที่กำหนดโดยเฉพาะ ด้วยความช่วยเหลือของจุดสามารถกำหนดจุดของไตรมาสที่สองของวงรีได้ หนึ่งจะได้รับคะแนนของครึ่งล่างของวงรีแบบอะนาล็อก

นอกจากนี้ยังสามารถกำหนดการสร้าง Steiner สำหรับไฮเพอร์โบลาและพาราโบลา บางครั้งเรียกว่าวิธีสี่เหลี่ยมด้านขนานเนื่องจากสามารถใช้จุดอื่นแทนจุดยอดซึ่งเริ่มต้นด้วยรูปสี่เหลี่ยมด้านขนานแทนที่จะเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า

เป็น hypotrochoid

วงรี (สีแดง) เป็นกรณีพิเศษของ hypotrochoid ที่มี  R  = 2 r

วงรีเป็นกรณีพิเศษของhypotrochoidเมื่อดังที่แสดงในภาพที่อยู่ติดกัน กรณีพิเศษของวงกลมเคลื่อนที่ที่มีรัศมี ภายในวงกลมที่มีรัศมี จะเรียกว่าเป็นคู่ Tusi

แวดวง

วงกลม: ทฤษฎีบทมุมที่ถูกจารึกไว้

วงกลมที่มีสมการ ถูกกำหนดโดยจุดสามจุดโดยไม่ซ้ำกัน ไม่อยู่ในบรรทัด วิธีง่ายๆในการกำหนดพารามิเตอร์ใช้ทฤษฎีบทมุมที่จารึกไว้สำหรับวงกลม:

สำหรับสี่จุด (ดูแผนภาพ) ข้อความต่อไปนี้เป็นจริง:
จุดทั้งสี่อยู่บนวงกลมถ้าเป็นมุมที่ และ มีค่าเท่ากัน

โดยปกติแล้วจะมีการวัดมุมที่จารึกด้วยองศาหรือเรเดียนθแต่ที่นี่การวัดต่อไปนี้สะดวกกว่า:

เพื่อที่จะวัดมุมระหว่างสองเส้นด้วยสมการ หนึ่งใช้ผลหาร:

ทฤษฎีบทมุมที่ถูกจารึกไว้สำหรับวงกลม

สำหรับสี่จุด ไม่มีสามคนในบรรทัดเรามีสิ่งต่อไปนี้ (ดูแผนภาพ):

จุดทั้งสี่อยู่บนวงกลมถ้าเป็นมุมที่ และ มีค่าเท่ากัน ในแง่ของการวัดมุมด้านบนหมายความว่า:

ในตอนแรกการวัดจะใช้ได้เฉพาะกับคอร์ดที่ไม่ขนานกับแกน y แต่สูตรสุดท้ายใช้ได้กับคอร์ดใด ๆ

สมการวงกลมสามจุด

ด้วยเหตุนี้หนึ่งจึงได้สมการสำหรับวงกลมที่กำหนดโดยจุดที่ไม่ใช่โคลิเนียร์สามจุด :

ตัวอย่างเช่นสำหรับ สมการสามจุดคือ:

ซึ่งสามารถจัดเรียงใหม่เป็น

การใช้เวกเตอร์ผลิตภัณฑ์ดอทและดีเทอร์มิแนนต์สูตรนี้สามารถจัดเรียงได้ชัดเจนยิ่งขึ้นโดยปล่อยให้:

จุดศูนย์กลางของวงกลม ความพึงพอใจ:

รัศมีคือระยะห่างระหว่างจุดใด ๆ ในสามจุดกับจุดศูนย์กลาง

วงรี

ส่วนนี้เราจะพิจารณาครอบครัวของจุดไข่ปลาที่กำหนดโดยสมการ ด้วยความเยื้องศูนย์คงที่. สะดวกในการใช้พารามิเตอร์:

และเขียนสมการวงรีเป็น:

โดยที่qได้รับการแก้ไขและแตกต่างกันไปตามจำนวนจริง (จุดไข่ปลาดังกล่าวมีแกนขนานกับแกนพิกัด: ifแกนหลักขนานกับแกนx ถ้ามันขนานกับแกนy )

ทฤษฎีบทมุมที่ถูกจารึกไว้สำหรับวงรี

เช่นเดียวกับวงกลมวงรีดังกล่าวถูกกำหนดโดยจุดสามจุดที่ไม่อยู่บนเส้น

สำหรับวงรีตระกูลนี้ตัวหนึ่งแนะนำการวัดมุมq-analogต่อไปนี้ซึ่งไม่ใช่ฟังก์ชันของการวัดมุมตามปกติθ : [13] [14]

เพื่อวัดมุมระหว่างสองเส้นด้วยสมการ หนึ่งใช้ผลหาร:

ทฤษฎีบทมุมที่ถูกจารึกไว้สำหรับจุดไข่ปลา

ได้รับสี่คะแนน ไม่มีสามคนบนเส้น (ดูแผนภาพ)
จุดทั้งสี่อยู่บนวงรีที่มีสมการ ถ้าและเฉพาะในกรณีที่มุมที่ และ มีค่าเท่ากันในความหมายของการวัดด้านบนนั่นคือถ้า