Эллипс: определение, каноническое и параметрическое уравнения, фокальные свойства, касательная и оптическое свойство

Эллипс — множество точек \(M\), для которых сумма расстояний до двух фиксированных фокусов постоянна: \[ MF_1+MF_2=2a. \] Если центр эллипса поместить в начало координат, а большую ось направить вдоль \(Ox\), получаем каноническое уравнение \[ \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad a\ge b>0. \] Здесь \(a\) и \(b\) — полуоси, фокусы находятся в \((\pm c,0)\), где \(c^2=a^2-b^2\), а эксцентриситет равен \(e=c/a<1\). Удобная параметризация: \(x=a\cos t,\;y=b\sin t\).1, 2

Касательная в точке \((x_0,y_0)\) эллипса задаётся формулой \[ \frac{xx_0}{a^2}+\frac{yy_0}{b^2}=1. \] Для \(e>0\) отношение расстояния от точки эллипса до фокуса к расстоянию до соответствующей директрисы постоянно и равно \(e\). Оптическое свойство связывает оба фокуса: луч из одного фокуса после отражения от эллипса проходит через другой.1

Что важно запомнить
  • Определение: \(MF_1+MF_2=2a\).
  • Каноническое уравнение: \(x^2/a^2+y^2/b^2=1\).
  • \(c^2=a^2-b^2\), \(e=c/a<1\).
  • Параметризация: \(x=a\cos t,\;y=b\sin t\).
  • Касательная: \(xx_0/a^2+yy_0/b^2=1\).
  • Директрисы при \(e>0\): \(x=\pm a/e\).
  • Оптическое свойство связывает оба фокуса через закон отражения.

Определение и каноническое уравнение

Пусть \(F_1,F_2\) — две фиксированные точки, \(F_1F_2=2c\). Эллипсом называют множество точек \(M\), для которых

\[MF_1+MF_2=2a,\qquad a>c\ge0.\]

Выбирая начало координат в середине фокусов, а ось \(Ox\) вдоль \(F_1F_2\), получают

\[\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad b^2=a^2-c^2.\]1, 2

Фокусы имеют координаты \((\pm c,0)\), а эксцентриситет \(e=c/a\). Для невырожденного эллипса \(0\le e<1\). При \(c=0\) получаем окружность.1

Параметрическая форма и фокальные свойства

Удобная параметризация:

\[x=a\cos t,\qquad y=b\sin t.\]

Для \(e>0\) директрисы имеют уравнения \(x=\pm a/e\). Отношение расстояния от точки эллипса до соответствующего фокуса к расстоянию до соответствующей директрисы постоянно и равно \(e\). Фокальные радиусы линейно выражаются через абсциссу: при согласованной нумерации фокусов \(r_{1,2}=a\pm ex\).1

Касательная

Если \(M_0=(x_0,y_0)\) принадлежит эллипсу, касательная в этой точке задаётся формулой

\[\frac{xx_0}{a^2}+\frac{yy_0}{b^2}=1.\]1, 2

Оптическое свойство

Касательная в точке \(M\) образует равные углы с прямыми \(MF_1\) и \(MF_2\). Поэтому нормаль к эллипсу является биссектрисой угла между направлениями к фокусам. В оптической интерпретации луч, вышедший из одного фокуса, после зеркального отражения от эллипса проходит через второй фокус.1

Пример простыми словами

Для эллипса \(x^2/25+y^2/9=1\) полуоси равны 5 и 3. Отсюда \(c=4\), поэтому фокусы находятся в \((\pm4,0)\). Если представить эллипс как кривую, натянутую нитью между двумя фокусами, длина этой «нити» для любой точки эллипса остаётся равной 10.

Другие вопросы

Источники

  1. 1 Корпусов М. О. Консультация 9. Эллипс, гипербола, парабола Кафедра математики физического факультета МГУ. 13 с.
  2. 2 Овчинников А. В. Алгебра и геометрия для студентов-физиков. Лекционный курс. Семестр 1 М.: Физический факультет МГУ, 2016 г. С. 212–228.