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筷子夹汤圆,夹出个美丽的蒙日圆

彭西东 素人素言 2022-07-17





切线,无疑是圆锥曲线中一类重要模型,在考题中是最常见的了。而对圆锥曲线切线的深入研究,对我们快速解决这类问题是非常有帮助的。

这两天看画板群里,板友们都在尽情玩转”蒙日圆“,

就突然地,想写一写这个特殊的“圆”了。

夹汤圆

右边这个图形,象不象用一双筷子,夹住一个汤圆了呢?

我们不妨就将类似这种图形的问题,叫“筷子夹汤圆”问题吧。


对,就叫筷子夹汤圆!




其实,如果注意观察,目前这种方式,夹汤圆时筷子的位置虽然不同,但两双筷子之间的关系好像总是不变的。

对,两双筷子总是互相垂直。

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除了这个,

你还能从图中观察出什么呢?

对,P点在旋转过程中留下的痕迹,

竟是一个漂亮的圆呢!

偶然的,还是必然?

当然就值得有心人去研究了。

蒙日圆的证明


在证明之前,首先在几何上,普及两个有关四边形的结论。

①在平行四边形中,各边的平方和等于对角线的平方和。



    ②在矩形ABCD中,对于平面内任一点O,均有:

PA2+PC2=PB2+PD2

  好,下面便可以用几何方法肆意地去找这个圆了。

其实,这个圆就是传说中椭圆的“蒙日圆”。它是由法国数学家加斯帕尔·蒙日发现的,按惯例,便很自然地以他的名字命名了。

当然,更为有意思的是,不仅椭圆,双曲线也有类似的“蒙日圆”,而且连圆的方程都是非常相似的:


你能从下图中,看出蒙日圆的其它性质吗?

蒙日圆的应用




从这个题的思路可以看出,当我们拿筷子的手在蒙日圆内部时,筷子的夹角是钝角,手在蒙日圆的外面时,筷子的夹角是锐角,而蒙日圆,就是两种角的分界线了。





夹汤圆的一般情形

再回顾下蒙日圆的证明:

其实,从蒙日圆的这个证明过程我们不难看出,只要两条切线的斜率之积为定值,动点P的轨迹就是我们所熟悉的圆、椭圆、双曲线,甚至于直线。

那么,你根据λ的不同取值范围,去分析方程所表示的曲线吗?

2019

编后:

值得一提的是,本文主要介绍椭圆的蒙日圆,但其实,双曲线和抛物线的蒙日圆也具备相似的特征和性质,本文不再进行说明,但希望用心的同学可以自行揣摩,以进一步提高自己的学习能力。


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