КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ Алгебраическая классификация. В алгебраических терминах конические сечения можно определить как плоские кривые, координаты которых в декартовой системе координат удовлетворяют уравнению второй степени. Иначе говоря, уравнение всех конических сечений можно записать в общем виде как
где не все коэффициенты A, B и C равны нулю. С помощью параллельного переноса и поворота осей уравнение (1) можно привести к виду
ax2 + by2 + c 0
или
px2 + qy 0.
Первое уравнение получается из уравнения (1) при B2 ? AC, второе - при B2 AC. Конические сечения, уравнения которых приводятся к первому виду, называются центральными. Конические сечения, заданные уравнениями второго вида с q ??0, называются нецентральными. В рамках этих двух категорий существуют девять различных типов конических сечений в зависимости от знаков коэффициентов.
1) Если коэффициенты a, b и c имеют один и тот же знак, то не существует вещественных точек, координаты которых удовлетворяли бы уравнению. Такое коническое сечение называется мнимым эллипсом (или мнимой окружностью, если a b).
2) Если a и b имеют один знак, а c - противоположный, то коническое сечение - эллипс (рис. 1,а); при a b - окружность (рис. 6,б).
3) Если a и b имеют разные знаки, то коническое сечение - гипербола (рис. 1,в).
4) Если a и b имеют разные знаки и c 0, то коническое сечение состоит из двух пересекающихся прямых (рис. 6,а).
5) Если a и b имеют один знак и c 0, то существует только одна действительная точка на кривой, удовлетворяющая уравнению, и коническое сечение - две мнимые пересекающиеся прямые. В этом случае также говорят о стянутом в точку эллипсе или, если a b, стянутой в точку окружности (рис. 6,б).
6) Если либо a, либо b равно нулю, а остальные коэффициенты имеют разные знаки, то коническое сечение состоит из двух параллельных прямых.
7) Если либо a, либо b равно нулю, а остальные коэффициенты имеют один знак, то не существует ни одной действительной точки, удовлетворяющей уравнению. В этом случае говорят, что коническое сечение состоит из двух мнимых параллельных прямых.
8) Если c 0, и либо a, либо b также равно нулю, то коническое сечение состоит из двух действительных совпадающих прямых. (Уравнение не определяет никакого конического сечения при a b 0, поскольку в этом случае исходное уравнение (1) не второй степени.)
9) Уравнения второго типа определяют параболы, если p и q отличны от нуля. Если p ? 0, а q 0, мы получаем кривую из п. 8. Если же p 0, то уравнение не определяет никакого конического сечения, поскольку исходное уравнение (1) не второй степени.
Вывод уравнений конических сечений. Любое коническое сечение можно также определить как кривую, по которой плоскость пересекается с квадратичной поверхностью, т.е. с поверхностью, задаваемой уравнением второй степени f (x, y, z) 0. По-видимому, конические сечения были впервые распознаны именно в этом виде, а их названия (см. ниже) связаны с тем, что они были получены при пересечении плоскости с конусом z2 x2 + y2. Пусть ABCD - основание прямого кругового конуса (рис. 7) с прямым углом при вершине V. Пусть плоскость FDC пересекает образующую VB в точке F, основание - по прямой CD и поверхность конуса - по кривой DFPC, где P - любая точка на кривой. Проведем через середину отрезка CD - точку E - прямую EF и диаметр AB. Через точку P проведем плоскость, параллельную основанию конуса, пересекающую конус по окружности RPS и прямую EF в точке Q. Тогда QF и QP можно принять, соответственно, за абсциссу x и ординату y точки P. Получившаяся кривая будет параболой.
Построение, представленное на рис. 7, можно использовать для вывода общих уравнений конических сечений. Квадрат длины отрезка перпендикуляра, восстановленного из любой точки диаметра до пересечения с окружностью, всегда равен произведению длин отрезков диаметра. Поэтому
y2 RQ?QS.
Для параболы отрезок RQ имеет постоянную длину (так как при любом положении точки P он равен отрезку AE), а длина отрезка QS пропорциональна x (из соотношения QS/EB QF/FE). Отсюда следует, что
где a - постоянный коэффициент. Число a выражает длину фокального параметра параболы.
Если угол при вершине конуса острый, то отрезок RQ не равен отрезку AE; но соотношение y2 RQ?QS эквивалентно уравнению вида
где a и b - постоянные, или, после сдвига осей, уравнению
являющемуся уравнением эллипса. Точки пересечения эллипса с осью x (x a и x -a) и точки пересечения эллипса с осью y (y b и y -b) определяют соответственно большую и малую оси. Если угол при вершине конуса тупой, то кривая пересечения конуса и плоскости имеет вид гиперболы, и уравнение приобретает следующий вид:
или, после переноса осей,
В этом случае точки пересечения с осью x, задаваемые соотношением x2 a2, определяют поперечную ось, а точки пересечения с осью y, задаваемые соотношением y2 -b2, определяют сопряженную ось. Если постоянные a и b в уравнении (4a) равны, то гипербола называется равнобочной. Поворотом осей ее уравнение приводится к виду
xy k.
Теперь из уравнений (3), (2) и (4) мы можем понять смысл названий, данных Аполлонием трем основным коническим сечениям. Термины "эллипс", "парабола" и "гипербола" происходят от греческих слов, означающих "недостает", "равен" и "превосходит". Из уравнений (3), (2) и (4) ясно, что для эллипса y2 Сам Аполлоний рассматривал только три общих типа конических сечений (перечисленные выше типы 2, 3 и 9), но его подход допускает обобщение, позволяющее рассматривать все действительные кривые второго порядка. Если секущую плоскость выбрать параллельной круговому основанию конуса, то в сечении получится окружность. Если секущая плоскость имеет только одну общую точку с конусом, его вершину, то получится сечение типа 5; если она содержит вершину и касательную к конусу, то мы получаем сечение типа 8 (рис. 6,б); если секущая плоскость содержит две образующие конуса, то в сечении получается кривая типа 4 (рис. 6,а); при переносе вершины в бесконечность конус превращается в цилиндр, и если при этом плоскость содержит две образующие, то получается сечение типа 6.
Если на окружность смотреть под косым углом, то она выглядит как эллипс. Взаимосвязь между окружностью и эллипсом, известная еще Архимеду, становится очевидной, если окружность X2 + Y2 a2 с помощью подстановки X x, Y (a/b) y преобразовать в эллипс, заданный уравнением (3a). Преобразование X x, Y (ai/b) y, где i2 -1, позволяет записать уравнение окружности в виде (4a). Это показывает, что гиперболу можно рассматривать как эллипс с мнимой малой осью, или, наоборот, эллипс можно рассматривать как гиперболу с мнимой сопряженной осью.
Соотношение между ординатами окружности x2 + y2 a2 и эллипса (x2/a2) + (y2/b2) 1 непосредственно приводит к формуле Архимеда A ?ab для площади эллипса. Кеплеру была известна приближенная формула ??(a + b) для периметра эллипса, близкого к окружности, но точное выражение было получено лишь в 18 в. после введения эллиптических интегралов. Как показал Архимед, площадь параболического сегмента составляет четыре третьих площади вписанного треугольника, но длину дуги параболы удалось вычислить лишь после того, как в 17 в. было изобретено дифференциальное исчисление.