第IV部分 论由给定的焦点,求椭圆形、抛物线形和双曲线形轨道

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引理 XV

如果由椭圆或双曲线的两个焦点S,H,两直线SV,HV向任意第三个点V倾斜,它们中的一条直线HV等于图形的主轴,亦即焦点所位于的轴;另一条[直线]SV被垂直落在它上面的TR平分于T;那条垂线TR 与圆锥截线在某处相切;并且反之亦然,如果相切,则HV 等于图形的主轴。

因垂线TR截HV,若需要就延长之,于R;并连结SR。由于TS,TV相等,直线SR,VR且角TRS,TRV也相等。因此点R在圆锥截线上,而垂线TR与此圆锥截线相切;且反之亦然。此即所证 。

命题XVIII 问题X

给定一个焦点和主轴,画出椭圆形或双曲线形轨道,它通过给定的点并与位置给定的直线相切。

设S为图形的公共焦点,AB为任意轨道的主轴的长度;P为一点,轨道应经过它;且TR为一直线,轨道应与它相切。以P为中心,若轨道为椭圆时,以AB-SP为间隔;若轨道为双曲线时,以AB+SP为间隔,画圆HG。往切线TR上落下垂线ST,且它被延长至V,使得TV等于ST;又以V为中心,AB为间隔画圆FH。由这一方法,或者两个点P,p,或者两条切线TR,tr,或者点P和切线TR被给定,两个圆可画出。设它们的公共部分是H,且由焦点S,H,那个给定的轴,轨道被画出。我说图已做出。因所画轨道(由在椭圆时PH+SP,且在双曲线时PH-SP,等于轴)经过点P,且(由上面的引理)与直线TR相切。由同样的论证,此轨道或者经过两点P,p,或者与两直线TR,tr相切。此即所作 。

命题XIX 问题XI

对于给定的一个焦点,画出抛物线形轨道,它经过给定的点并与位置给定的直线相切。

设S为焦点,P为一个点,且TR为所画轨道的切线。以中心P,间隔PS画圆FG。由焦点往切线上落下垂线ST,并延长它至V,使得TV等于ST。按同样的方式画另一圆fg,如果另一个点p被给定;或者求得另一个点v,如果另一切线tr被给定;然后引直线IF,它与两圆FG,fg相切,如果两个点P,p被给定;它经过两点V,v,如果两条切线TR,tr被给定;它与圆FG相切并经过点V,如果P和切线TR被给定。往FI上落下垂线SI,且它平分于K;则由轴SK,主顶点K,抛物线被画出。我说图已做出。因为抛物线,由于SK和IK,SP和FP相等,它经过点P;且(由引理XIV的系理3)因ST和TV相等及STR为直角,它与直线TR相切。此即所作 。

命题XX 问题XII

对于给定的一个焦点,画出类型给定的任意轨道,它通过给定的点,且与位置给定的直线相切。

情形1 给定焦点S,设要画的轨道ABC经过两点B,C。因为轨道的种类已给定,则主轴比焦点之间距离的比亦被给定。按照那个比取KB比BS,以及LC比CS。以中心B,C,间隔BK,CL画两个圆,且在直线LK上,它切这些圆于K和L,落下垂线SG,同一垂线在A和a被截,使得GA比AS和Ga比aS如同KB比BS,并由轴Aa,顶点A,a,轨道被画出。我说图已做出。因为若H为所画图形的另一个焦点,又由于GA比AS如同Ga比aS,由分比Ga-GA或Aa比aS-AS或SH按照相同的比,且因此按照要画的图形的主轴比其焦点之间的距离所具有的比;所以画出的图形与要画的图形的种类相同。又因KB比BS和LC比CS按照相同的比,这个图形经过点B,C,由《圆锥截线 》这是显然的。

情形2 给定焦点S,要画出一条轨道,它与两直线TR,tr在某处相切。由焦点向切线上落下垂线ST,St,并延长它们至V,v,使得TV,tv[分别]等于TS,tS,Vv平分于O,并竖立无限的垂线OH,无限延长的直线VS在K和k被截,使得VK比KS和Vk比kS如同所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离。在直径Kk上画圆截OH于H;并由焦点S,H,等于VH的主轴,轨道被画出。我说图已做出。因为平分Kk于X,并连结HX,HS,HV,Hv。因为VK比KS如同Vk比kS;并由合比,如同VK+Vk比KS+kS;再由分比,如同Vk-VK比kS-KS,亦即,如同2VX比2KX和2KX比2SX,因此,如同VX比HX和HX比SX,于是三角形VXH和HXS相似,且所以VH比SH如同VX比XH,因此,如同VK比KS。所以画出的轨道的主轴VH比其焦点之间的距离SH的比,与所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离所具有的比是相同的,因此是相同的种类。此外,由于VH,vH等于主轴,且VS,vS被直线TR,tr垂直平分,显然(由引理XV)那些直线与所画出的轨道相切。此即所作 。

情形3 给定焦点S,要画出一条轨道,它与直线TR在给定的点R相切。在直线TR上落下垂线ST,延长它至V,使得TV等于ST。连接VR,无限延长的直线VS在K和k被截,使得VK比SK和Vk比Sk如同所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离;且在直径Kk上画圆截延长的直线VR于H,并由焦点S,H,等于直线VH的主轴,轨道被画出。我说图已做出。因VH比SH如同VK比SK,因此如同所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离,由第二种情形的证明,这是显然的,所以所画出的轨道与所要画的轨道的种类是相同的,由于角VRS被直线TR平分,它与轨道在点R相切,由《圆锥截线 》这是显然的。此即所作 。

情形4 对于焦点S,现在要画出轨道APB,它与直线TR相切,且经过切线外任意给定的点P,相似于以主轴ab和焦点s,h所画的图形apb。在切线TR上落下垂线ST,并延长它至V,使得TV等于ST。再作角hsq,shq等于角VSP,SVP;且以q为中心,以比ab如同SP比VS的间隔画圆,截图形apb于p。连结sp并引SH,它比sh如同SP比sp,构作角PSH等于角psh以及角VSH等于角psq。此后,由焦点S,H,和等于距离VH的主轴AB,圆锥截线被画出。我说图已做出。因为,如果引sv,它比sp如同sh比sq,构作角vsp等于角hsq以及角vsh等于角psq,三角形svh,spq是相似的,且所以vh比pq如同sh比sq,亦即(因三角形VSP与bsq相似)如同VS比SP或ab比pq。所以vh和ab相等。此外,由于三角形VSH与vsh相似,VH比SH如同vh比sh,亦即,现在所画出的圆锥截线的轴比其焦点之间的间隔,如同轴ab比焦点之间的间隔sh;所以现在画出的图形与图形apb相似。然而,这一图形经过点P,因为三角形PSH相似于三角形psh;且因VH等于图形的轴,又VS被直线TR垂直平分,此图形与直线TR相切。此即所作 。

引理 XVI

从三个给定的点向第四个未被给定的点引三条斜直线,它们的差或者被给定或者为零。

情形1 令那些给定的点为A,B,C,且第四点为Z,它是应当求的;因为直线AZ,BZ的差给定,点Z位于一双曲线上,其焦点为A和B,且其主轴是那个给定的差。设那个轴为MN。取PM比MA如同MN比AB,并竖立PR垂直于AB,又落下ZR垂直于PR;由这条双曲线的性质,ZR比AZ如同MN比AB。由类似的讨论,点Z位于另一双曲线上,其焦点为A,C,且其主轴为AZ和CZ之间的差,可以引QS,它自身与AC垂直,如果由这条双曲线上的任意点Z往QS上落下成直角的线ZS,这一垂线ZS比AZ如同AZ和CZ之间的差比AC。所以ZR和ZS比AZ的比被给定,并且由此ZR和ZS的相互之比被给定;且因此,如果直线RP,SQ交于T,再引TZ和TA,则图形TRZS的种类被给定,又直线TZ的位置被给定,点Z位于其上某处。直线TA,以及角ATZ亦被给定;又因为AZ和TZ比ZS的比被给定,它们的相互之比亦被给定;因此三角形ATZ被给定,它的一个顶点是点Z。此即所求 。

情形2 如果三条线中的两条,设为AZ和BZ,是相等的,因此引直线TZ,使得它平分直线AB;此后如上寻求三角形ATZ。此即所求 。

情形3 如果所有三条线相等,点Z位于过点A,B,C的圆的中心。此即所求。

这个引理中的问题亦在由维埃特编订的阿波罗尼奥斯的书《论切触 》中被解决。

命题XXI 问题XIII

对于给定的一个焦点画一条轨道,它通过给定的点并与位置给定的直线相切。

设焦点S,点P和切线TR被给定,需求另一焦点H。往切线上落下垂线ST,并延长它至Y,使得TY等于ST,则YH等于主轴。连结SP,HP,且SP是HP和主轴之间的差。按照这种方式,如果给定更多的切线TR,或更多的点P,总能找到由所说的点Y或P到焦点所引的同样数目的线YH或PH,它们或者等于轴,或者它们以给定的长度SP不同于轴;于是它们或者相等,或者有给定的差,且由此,由上面的引理,另外一个焦点H被给定。同时拥有了两个焦点和轴的长度(它或者为YH,或者,如果轨道为椭圆,为PH+SP;若不然,轨道为双曲线,为PH-SP)也就有了轨道。此即所求 。

解释

当轨道为双曲线时,在这个轨道的名下我没有包括相对的双曲线[分支]。因为物体在自己的持续运动时不可能迁移到相对的双曲线[分支]上。

在给定三个点的情形可如此便捷地求解。设B,C,D为给定的点。连结BC,CD,并延长至E,F,使得EB比EC如同SB比SC,且FC比FD如同SC比SD。在画出的EF及其延长上落下成直角的直线SG,BH,又在无限延长的GS上取GA比AS和Ga比aS如同HB比BS;则A为轨道的顶点,且Aa为其主轴:轨道,依照GA大于、等于、或者小于AS,而为椭圆,抛物线或者双曲线;点a在第一种情形与点A落在线GF的同一侧;在第二种情形它远离以至无穷;在第三种情形它落在线GF的另一侧。因为如果向GF上落下垂线CI,DK;则IC比HB如同EC比EB,这就是,如同SC比SB;又由更比,IC比SC如同HB比SB或者如同GA比SA。且由类似的论证可证KD比SD是按照相同的比。所以点B,C,D在关于焦点S如此画出的圆锥截线上,使得由焦点S到截线上每个点所引的直线比由相同的点落到直线GF上的垂线按照那个给定的比。

最杰出的几何学家拉伊尔 ,在他的《圆锥截线 》卷VIII,命题XXV中给出此问题的解法,方法上与此没有大的差异。