Эллипс уравнение эллипса и его свойства

Понятие эллипса в математике и его свойства

Эллипс — что это такое, понятие в математике и геометрии

Эллипс — фигура, представляющая собой по форме замкнутую кривую линию на плоскости. Она получается путем пересечения плоскости с круговым цилиндром, или же как ортогональное отображение окружности на плоскость в пространстве.

В эллипсе суммарная величина расстояния от любой точки до двух точек F2 и F1 будет равна одному постоянному значению. Эти точки — F1 и F2 — носят названия фокусов эллипса.

F 1 M 1 + F 2 M 1 = F 1 M 2 + F 2 M 2 = A 1 A 2 = c o n s t

∣ F 1 M ∣ + ∣ F 2 M ∣ = 2 × a , причем ∣ F 1 F 2 ∣ 2 × a

Окружность можно называть партикулярным (особым) вариантом эллипса. Эллипс, как и параболу, и гиперболу, можно назвать квадрикой или же коническим сечением.

Рассмотрим связанные с эллипсом понятия:

  1. Отрезок AB, проходящий через фокусы эллипса (его концы должны лежать на эллипсе), носит название большой оси эллипса. Длина этого элемента — большой оси — равняется 2a в уравнении, приведенном выше.
  2. Малая ось эллипса — отрезок CD, который перпендикулярен большой оси, он проходит через центральную точку большой оси. Концы отрезка должны лежать на эллипсе.
  3. Центр эллипса — точка пересечения малой и большой оси данной замкнутой кривой.
  4. Большая полуось — отрезок, проведенный из центра эллипса к вершине большой оси. Обозначается буквой «a».
  5. Малая полуось — отрезок, проведенный из центра эллипса к вершине малой оси. Обозначается буквой «b».
  6. Фокальные радиусы в точке — расстояния r 1 и r 2 до определенной точки от каждого фокуса эллипса.
  7. Фокальное расстояние — расстояние, равное: c = ∣ F 1 F 2 ∣ 2 .
  8. Эксцентриситет — величина, равная: e = c a = 1 — b 2 a 2 .
  9. Диаметр эллипса — свободно проведенная хорда, проходящая через центр построения. Диаметры (обычно пара), обладающие свойством середины хорд, параллельные первому диаметру, и находящиеся на втором диаметре, называются сопряженными диаметрами. Середины хорд, параллельных второму диаметру, находятся на первом диаметре.
  10. Радиусом называют отрезок, соединяющий в данной точке центр эллипса и точку. Длина радиуса вычисляется по формуле: r = a b b 2 cos 2 γ + a 2 sin 2 γ = b 1 — e 2 cos 2 γ . В данной формуле γ — величина угла между большой полуосью и радиусом.
  11. Фокальный параметр ( p = b 2 a ) — половина длины хорды, проходящей через фокус эллипса, является перпендикулярной большой оси.
  12. Коэффициент сжатия, или же эллиптичность — отношение длины большой полуоси к длине малой полуоси. Вычисляется по формуле: k = b a . Величина, равная ( 1 — k ) = a — b a , будет носить название «сжатие эллипса». Следует помнить, что для окружности коэффициент сжатия равен единице, а сжатие равно нулю. Эксцентриситет и коэффициент сжатия связаны отношениями равными: k 2 = 1 — e 2 .
  13. Директриса — прямая, которая существует для каждого фокуса эллипса. При этом соотношение расстояния от свободно расположенной точки эллипса до фокуса этой замкнутой кривой к расстоянию от данной точки до определенной прямой будет равно эксцентриситету эллипса. Полный эллипс находится на той же стороне от такой же прямой, что и его фокус. Уравнения для директрис эллипса в классическом виде пишутся как x = ± p e ( 1 — e 2 ) для каждого фокуса ( ± p e 1 — e 2 , 0 ) . Расстояние от фокуса до директрисы будет вычисляться по соотношению p e

Теорема директрисы: Для того, чтобы определенная точка находилась на границе линии замкнутой кривой, необходимо, чтобы соотношение расстояния до фокуса к расстоянию до соответствующей директрисы было равно e.

Эллиптическая функция — функция в двух направлениях, которая в рамках метода комплексного анализа, задана на комплексной плоскости.

Основные элементы и свойства фигуры

Рассмотрим элементы эллипса. Взгляните на чертеж:

F1 и F2 выступают в роли фокусов эллипса. Осями данной замкнутой кривой будут A1A2 =2a (как большая ось, проходящая сквозь фокусы замкнутой кривой), а B1B2=2b (как малая ось, перпендикулярная второй, большой оси фигуры, проходит через ее центр). Здесь «a» является большой полуосью, «b» является малой полуосью, «O» является центром (то есть точкой пересечения малой оси и большой оси).

Вершинами эллипса будут точки A1, и A2, и B1, и B2. Это точки пересечения большой осью и малой осью эллипса. Диаметр замкнутой кривой — отрезок, соединяющий две точки эллипса, а также проходящий через центр фигуры.

Фокальное расстояние, которое обозначается буквой «c», является половиной длины отрезка, соединяющего фокусы эллипса.

Эксцентриситет замкнутой кривой, который обозначается буквой «e», показывает степень «сплющенности» (то есть отклонения от окружности). Он определяется соотношением фокального расстояние (буква «c») к большой полуоси «a». В случае эллипса эксцентриситет будет таким: 0 1.

Фокальные радиусы в точке — расстояния r 1 и r 2 до определенной точки от каждого фокуса эллипса.

Радиус эллипса — отрезок, соединяющий центр, который обозначается буквой «O» с точкой на самом эллипсе.

r = a b b 2 cos 2 γ + a 2 sin 2 γ = b 1 — e 2 cos 2 γ .

В данной формуле γ — величина угла между большой полуосью и радиусом (A1A2), e — эксцентриситет.

Фокальный параметр — отрезок, перпендикулярный большой полуоси, а также выходящий за фокус эллипса. Вычисляется по формуле: p = b 2 a

Коэффициент сжатия или же эллиптичность, обозначаемая буквой «k», является отношением длины малой полуоси к большой полуоси.

Малая полуось всегда будет меньше, чем большая полуось замкнутой кривой. Получается, что k k = b a

В данном уравнении величина «e» — эксцентриситет.

Сжатие эллипса (то есть 1 — k ) — показатель, который равен разности между эллиптичностью и единицей.

Директриса эллипса — пара прямых, которые перпендикулярны фокальной оси замкнутой прямой, пересекающей расстояние a*e от центра замкнутой прямой. Расстояние до директрисы от фокуса будет равно p*e.

Рассмотрим также основные свойства эллипса:

  1. Угол к эллипсу между касательной и фокальным радиусом r 1 будет равен величине угла между фокальным радиусом r 2 и касательной.
  2. Равенство касательной к замкнутой кривой в точке M : 1 = x x M a 2 + y y M b 2
  3. В случае, если замкнутая прямая пересекается парой параллельных прямых, то отрезок, соединяющий середины отрезков, образованных при пересечении эллипса и прямых, всегда будет пересекать центр замкнутой кривой.

Примечание 2

Данное свойство позволяет построить центр эллипса при помощи циркуля и линейки.

  1. Эволюта замкнутой кривой — астероида, которая растянута по короткой оси.
  2. В случае, если можно вписать эллипс с фокусами F1 и F2 в треугольник ABC, то возможно выполнить данное соотношение:

1 = F 1 A × F 2 C A × A B + F 1 B × F 2 B A B × B C + F 1 C × F 1 C B C × C A

Составление уравнения эллипса

Базовое уравнение замкнутой кривой.

Это уравнение, описывающее эллипс в декартовой системе координат. В случае, если центр замкнутой кривой (обозначается буквой «O») — в начале системы координат, а на абсциссе находится большая ось, то замкнутая кривая будет описываться следующим уравнением:

1 = x 2 a 2 + x 2 b 2

В случае, если центр эллипса смещается в точку с координатами x 0 и y 0 , то уравнение примет следующий вид:

1 = ( x — x 0 ) 2 a 2 + ( y — y 0 ) 2 b 2

Параметрическое уравнение будет выглядеть следующим образом:

Как посчитать площадь всего эллипса и сегмента

Рассмотрим формулу для вычисления площади всего эллипса:

Рассмотрим формулу для вычисления площади сегмента эллипса. Это формула площади сегмента, который лежит на левой стороны от хорды с координатами (x, y), а также (x, -y).

S = π a b 2 — b a ( x a 2 — x 2 + a 2 × arcsin x a )

Формула для вычисления периметра и длины дуги

Рассмотрим формулу для вычисления периметра замкнутой кривой.

Важно запомнить, что точную формулу для периметра L найти крайне тяжело. Ниже приведена формула, с помощью которой можно приблизительно рассчитать длину периметра. Максимальной погрешностью данной формулы можно считать примерно 0,63 %.

L ≈ 4 π a b + ( a — b ) 2 a + b

Рассмотрим формулу для вычисления длины дуги замкнутой кривой:

  • Параметрическое уравнение для вычисления длины дуги замкнутой кривой через большую полуось a, а также малую полуось b:

Формула 8

ℓ = ∫ t 1 t 2 a 2 sin 2 t + b 2 cos 2 t d t .

  • Параметрическое уравнение для вычисления длины дуги замкнутой кривой с помощью большой полуоси a, а также эксцентриситета, который обозначается буквой e:

Формула 9

ℓ = ∫ t 1 t 2 1 — e 2 cos 2 t d t , e 1 .

Как построить эллипс по уравнению, примеры

Попробуем построить эллипс по уравнению x 2 16 + y 2 7 = 1

Сначала мы должны привести данное уравнение к привычному виду: x 2 4 2 + y 2 ( 7 ) 2 = 1

Определяем вершины эллипса. Они находятся в точках A1(a; 0), A2 (-a; 0), B1 (0; b), B2 (0; -b). Получаем, что A 1 ( 4 ; 0 ) , A 2 ( — 4 ; 0 ) , B 1 ( 0 ; 7 ) , B 2 ( 0 ; — 7 )

Эллипс, его каноническое уравнение, свойства и параметры

Эллипсом называется множество точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух фиксированных точек F1 и F2 этой плоскости, называемых фокусами, есть величина постоянная. При совпадении точек F1 и F2 эллипс превращается в окружность. Выведем уравнение эллипса, выбрав декартову систему

координат так, чтобы ось Ох совпала с прямой F1F2, начало координат – с серединой отрезка F1F2. Пусть длина этого отрезка равна 2с, тогда в выбранной системе координат F1(-c, 0), F2(c, 0). Пусть точка М(х, у) лежит на эллипсе, и сумма расстояний от нее до F1 и F2 равна 2а. Тогда r1 + r2 = 2a, но , поэтому Введя обозначение b² = a²-c² и проведя несложные алгебраические преобразования, получим каноническое уравнение эллипса:

Эксцентриситетом эллипса называется величина е=с/а. Директрисой Di эллипса, отвечающей фокусу Fi, называется прямая, расположенная в одной полуплоскости с Fi относительно оси Оу перпендикулярно оси Ох на расстоянии а/е от начала координат.

Свойства эллипса:

1) Эллипс имеет две взаимно перпендикулярные оси симметрии (главные оси эллипса) и центр симметрии (центр эллипса). Если эллипс задан каноническим уравнением, то его главными осями являются оси координат, а центром – начало координат. Поскольку длины отрезков, образованных пересечением эллипса с главными осями, равны 2а и 2b(2a>2b), то главная ось, проходящая через фокусы, называется большой осью эллипса, а вторая главная ось – малой осью.

2) Весь эллипс содержится внутри прямоугольника

3)Эксцентриситет эллипса e a, а весь эллипс лежит в прямоугольнике )

5) Отношение расстояния ri от точки эллипса до фокуса Fi к расстоянию di от этой точки до отвечающей фокусу директрисы равно эксцентриситету эллипса.

Эллипс — определение и вычисление с примерами решения

Эллипс:

Определение: Эллипсом называется геометрическое место точек, сумма расстояний от которых до двух выделенных точек

Получим каноническое уравнение эллипса. Выберем декартову систему координат так, чтобы фокусы

Рис. 29. Вывод уравнения эллипса.

Расстояние между фокусами (фокусное расстояние) равно Согласно определению эллипса имеем Из треугольников и по теореме Пифагора найдем

соответственно. Следовательно, согласно определению имеем

Возведем обе части равенства в квадрат, получим

Перенося квадратный корень в левую часть, а все остальное в правую часть равенства, находим Раскроем разность квадратов Подставим найденное выражение в уравнение и сократим обе части равенства на 4, тогда оно перейдет в уравнение Вновь возведем обе части равенства в квадрат Раскрывая все скобки в правой части уравнения, получим Соберем не- известные в левой части, а все известные величины перенесем в правую часть уравнения, получим Введем обозначение для разности, стоящей в скобках Уравнение принимает вид Разделив все члены уравнения на получаем каноническое уравнение эллипса: Если то эллипс вытянут вдоль оси Ох, для противоположного неравенствавдоль оси Оу (при этом фокусы тоже расположены на этой оси). Проанализируем полученное уравнение. Если точка М(х; у) принадлежит эллипсу, то ему принадлежат и точки следовательно, эллипс симметричен относительно координатных осей, которые в данном случае будут называться осями симметрии эллипса. Найдем координаты точек пересечения эллипса с декартовыми осями:

  • т.е. точками пересечения эллипса с осью абсцисс будут точки
  • т.е. точками пересечения эллипса с осью ординат будут точки (Рис. 30).

Определение: Найденные точки называются вершинами эллипса.

Рис. 30. Вершины, фокусы и параметры эллипса

Определение: Если то параметр а называется большой, а параметр b — малой полуосями эллипса.

Определение: Эксцентриситетом эллипса называется отношение фокусного рас- стояния к большой полуоси эллипса

Из определения эксцентриситета эллипса следует, что он удовлетворяет двойному неравенству Кроме того, эта характеристика описывает форму эллипса. Для демонстрации этого факта рассмотрим квадрат отношения малой полуоси эллипса к большой полуоси

Если и эллипс вырождается в окружность. Если и эллипс вырождается в отрезок

Пример:

Составить уравнение эллипса, если его большая полуось а = 5, а его эксцентриситет

Решение:

Исходя из понятия эксцентриситета, найдем абсциссу фокуса, т.е. параметр Зная параметр с, можно вычислить малую полуось эллипса Следовательно, каноническое уравнение заданного эллипса имеет вид:

Пример:

Найти площадь треугольника, две вершины которого находятся в фокусах эллипса а третья вершина — в центре окружности

Решение:

Для определения координат фокусов эллипса и центра окружности преобразуем их уравнения к каноническому виду. Эллипс:

Следовательно, большая полуось эллипса а малая полуось Так как то эллипс вытянут вдоль оси ординат Оу. Определим расположение фокусов данного эллипса Итак, Окружность: Выделим полные квадраты по переменным Следовательно, центр окружности находится в точке О(-5; 1).

Построим в декартовой системе координат треугольник Согласно школьной формуле площадь треугольника равна Высота а основание Следовательно, площадь треугольника равна:

Эллипс в высшей математике

где и —заданные положительные числа. Решая его относительно , получим:

Отсюда видно, что уравнение (2) определяет две функции. Пока независимое переменное по абсолютной величине меньше , подкоренное выражение положительно, корень имеет два значения. Каждому значению , удовлетворяющему неравенству соответствуют два значения , равных по абсолютной величине. Значит, геометрическое место точек, определяемое уравнением (2), симметрично относительно оси . Так же можно убедиться в том, что оно симметрично и относительно оси . Поэтому ограничимся рассмотрением только первой четверти.

При , при . Кроме того, заметим, что если увеличивается, то разность уменьшается; стало быть, точка будет перемещаться от точки вправо вниз и попадет в точку . Из соображений симметрии изучаемое геометрическое место точек будет иметь вид, изображенный на рис. 34.

Полученная линия называется эллипсом. Число является длиной отрезка , число —длиной отрезка . Числа и называются полуосями эллипса. Число эксцентриситетом.

Пример:

Найти проекцию окружности на плоскость, не совпадающую с плоскостью окружности.

Решение:

Возьмем две плоскости, пересекающиеся под углом (рис. 35). В каждой из этих плоскостей возьмем систему координат, причем за ось примем прямую пересечения плоскостей, стало быть, ось будет общей для обеих систем. Оси ординат различны, начало координат общее для обеих систем. В плоскости возьмем окружность радиуса с центром в начале координат, ее уравнение .

Пусть точка лежит на этой окружности, тогда ее координаты удовлетворяют уравнению .

Обозначим проекцию точки на плоскость буквой , а координаты ее—через и . Опустим перпендикуляры из и на ось , это будут отрезки и . Треугольник прямоугольный, в нем , ,, следовательно, . Абсциссы точек и равны, т. е. . Подставим в уравнение значение , тогда cos

а это есть уравнение эллипса с полуосями и .

Таким образом, эллипс является проекцией окружности на плоскость, расположенную под углом к плоскости окружности.

Замечание. Окружность можно рассматривать как эллипс с равными полуосями.

Уравнение эллипсоида

Определение: Трехосным эллипсоидом называется поверхность, полученная в результате равномерной деформации (растяжения или сжатия) сферы по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Рассмотрим сферу радиуса R с центром в начале координат:

где Х, У, Z — текущие координаты точки сферы.

Пусть данная сфера подвергнута равномерной деформации в направлении координатных осей с коэффициентами деформации, равными

В результате сфера превратится в эллипсоид, а точка сферы М (X, У, Z) с текущими координатами Х, У, Z перейдет в точку эллипсоидам (х, у, z) с текущими координатами х, у, г, причем

Иными словами, линейные размеры сферы в направлении оси Ох уменьшаются в раз, если , и увеличиваются в раз, если и т. д.

Подставляя эти формулы в уравнение (1), будем иметь

где Уравнение (2) связывает текущие координаты точки М’ эллипсоида и, следовательно, является уравнением трехосного эллипсоида.

Величины называются полуосями эллипсоида; удвоенные величины называются осями эллипсоида и, очевидно, представляют линейные размеры его в направлениях деформации (в данном случае в направлениях осей координат).

Если две полуоси эллипсоида равны между собой, то эллипсоид называется эллипсоидом вращения, так как может быть получен в результате вращения эллипса вокруг одной из его осей. Например, в геодезии считают поверхность земного шара эллипсоидом вращения с полуосями

а = b = 6377 км и с = 6356 км.

Если а = b = с, то эллипсоид превращается в сферу.

Рекомендую подробно изучить предметы:
  • Геометрия
  • Аналитическая геометрия
  • Начертательная геометрия
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Гипербола
  • Парабола
  • Многогранник
  • Решение задач на вычисление площадей
  • Шар в геометрии
  • Правильные многогранники в геометрии
  • Многогранники
  • Окружность

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.


источники:

http://mydocx.ru/4-88103.html

http://www.evkova.org/ellips