上一篇文章我们计算了什么时候存在三角形——恰当三角形,给定的大圆、小圆分别是三角形的外接圆、内切圆。(见《如何做到既内切又外接?》)然而这个主题我们还有值得玩味的地方。
Part1尺规作图
已知大圆半径和小圆的圆心距,如何通过尺规作图求对应小圆的半径?
我们尺规作图的依据基于上期文章的公式:
通过简单变形:
以下是作图的具体步骤.
我们需要先求出分子.
如上图,,分别过作垂线垂直于交于点.
由勾股定理,我们立即可知. 我们接下来还需要对进行平方. 所谓平方,即是求.
在上截取,作平行线,交于点.
由相似原理:,于是有相似关系:
我们将视为单位1,代入得到
取中点,以为圆心,为半径作圆. 完毕. 最后我们得到:
然后过上任意一点做切线……皆可得到恰当三角形,这由pencelet定理保证,事实上对于一般椭圆曲线也成立.
Part2垂足曲线
如上动图,轨迹曲线由外接圆圆心到三角形三边的垂足运动而成。我们接下来求一下它的曲线方程. 建系如下:
不妨设,即,设由上期文章中的公式:
即得
这是一个极坐标方程,该曲线正是心形曲线.
Part3反演观点
何谓“反演”?请看下图:是圆心位于原点的单位圆中的任意一点,接下来我们找点关于的反演点. 我们称是反演圆,圆心称为反演中心。连接并延长,做过点关于射线的垂线交圆于点;做过点的切线交于点,则为的反演.(若再对点取共轭,则得到点的复反演.)容易验证,反演的反演是恒等变换.
反演满足以下几何性质:
(保圆性)反演将圆映射为圆.
更确切地讲,反演将反演圆内的小圆映射为圆外的大圆,或者反过来. 若圆与反演圆相交,则其反演的像也与反演圆相交于相同的点. 特别地,若圆通过反演中心,则其像为直线。因为反演中心被反演为无穷远点,所以我们把直线视为过无穷远点的无穷大的圆.
如果我们以内切圆为反演圆,然后对外接圆、恰当三角形进行反演,则其反演的像如下:
由于直线是经过无穷远点的大圆,所以其反演像必经过反演圆圆心;又恰当三角形三边与反演圆(内切圆)相切,所以其反演像必与反演圆相切,于是恰当三角形三边被反演为过圆心直径为反演圆半径的绿色小圆.
这些小圆两两相交,每两个小圆有两个交点,其中一个是反演圆圆心(因为任意两条直线都在无穷远点相交). 而外接圆过恰当三角形的三个角点,平面上不共线三点确定唯一的圆,所以外接圆的反演像恰过这三个角点的反演像.
所以当我们问:已知两圆,何时存在如图中三个绿色小圆?此时我们就可以利用反演,然后回到恰当三角形的存在性判别问题中.
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