Квант

Условие

Дан угол с вершиной OO. Расмотрим множество четырех вершин MM паралелограммов ONML, вершины NN и LL которых лежат на сторонах данного угла, а площадь равна постоянной величины kk. (Это множество называется zигерболой.) Докажите что на биссертрисе этого угла и на ее продолжении найдется также точки F1F_1 и F2F_2 (где ∣F10∣=∣0F2∣|F_10| = |0F_2|) для которых разность расстояний ∣F1M∣−∣F2M∣|F_1M| - |F_2M| не зависит от точки MM.

И. Н. Бронштейн

Решение

Дан угодл с вершиной O. Рассмотрим множество четырех вершин M параллелограммов ONML, вершины N и L коморых лежам на сторонах данной угла, а площадь равна постоянной величины. (Это множество называется синерболой.) Докажите, что на биссерпсе это угла и на ее продолжении найдумся также точки F1F_1 и F2F_2 (2de∣F1O∣=∣F2O∣2de |F_1O| = |F_2O|), для коморых разность расстояния

∣∣F1M∣−∣F2M∣∣||F_1M| - |F_2M||

не зависит от точки MM.**

Пусть 2α2\alpha — заданный угол, AA — вершина гиперболы (точка ее пересечения с биссерпсой), A′A' — симметриная точка относительно OO, KMQKMQ — перpendикуляр к этой биссерпсе, проходящий через MM (К лежит на биссерпсе, QQ — на стороне угла, см. рис. 3).

Введем обозначения: r1=∣F1M∣r_1 = |F_1M|, r2=∣F2M∣r_2 = |F_2M|, a=∣OA∣=∣OA′∣a = |OA| = |OA'|, x=∣ON∣x = |ON|, y=∣OL∣y = |OL|, r=∣OM∣r = |OM|, φ=AOM^\varphi = \widehat{AOM}, наконец, cc — искомое расстояние точки F1F_1 и F2F_2 от вершины OO угла (центра гиперболы). (Для значших аналитических геометрию: xx и yy — косоугольные координаты точки MM, aa и φ\varphi — ее полярные координаты.)

44

По условию задачи, синний и желтый паралелограммы должны иметь одинаковую площадь:

k=xysin⁡2α=(a2cos⁡α)2sin⁡2α,k = xy \sin 2\alpha = \left( \frac{a}{2 \cos \alpha} \right)^2 \sin 2\alpha,

откуда

xy=a24cos⁡2α.(1)xy = \frac{a^2}{4 \cos^2 \alpha}. \tag{1}

Нужно найти такое положение F1F_1 и F2F_2 (то есть такое значение cc), чтобы разность r2−r1r_2 - r_1 была одной и той же для всех точек MM гиперболы. В частности, для ее вершины AA эта разность ∣F1A∣−∣F2A∣|F_1A| - |F_2A|, вследствие симметрины (∣F2A∣=∣F1A′∣)(|F_2A| = |F_1A'|), равна ∣A′A∣=2a|A'A| = 2a (оси гиперболы). Значит, эта разность должна быть равна

r2−r1=2a.(2)r_2 - r_1 = 2a. \tag{2}

Найдем выражения r1r_1 и r2r_2 через постоянные a,ca, c и α\alpha (в эти выражения войдут, конечно, и какие-то переменные величины). Применяя теорему косинусов для треугольников F1MO,F2MOF_1MO, F_2MO и OMNOMN, имеем:

r1,22=c2+r2±2crcos⁡φ(3)r_{1,2}^2 = c^2 + r^2 \pm 2cr \cos \varphi \tag{3}

(верхний знак для r1r_1, нижний для r2r_2) и

r2=x2+y2+2xycos⁡2α.(4)r^2 = x^2 + y^2 + 2xy \cos 2\alpha. \tag{4}

Угол φ\varphi можно из формулы (3) сразу использовать: из чертежа видно, что

rcos⁡φ=∣OK∣=∣OQ∣cos⁡α=(∣OL∣+∣LQ∣)cos⁡α=r \cos \varphi = |OK| = |OQ| \cos \alpha = (|OL| + |LQ|) \cos \alpha =

=(∣OL∣+∣LM∣)cos⁡α=(x+y)cos⁡α;= (|OL| + |LM|) \cos \alpha = (x + y) \cos \alpha;

следоватьно,

r1,22=c2+r2±2c(x+y)cos⁡α.(3’)r_{1,2}^2 = c^2 + r^2 \pm 2c(x + y) \cos \alpha. \tag{3'}

Подставляя (4) в (3’) и использовать условия (1) и то жеств а cos⁡2α=2cos⁡2α−1\cos 2\alpha = 2 \cos^2 \alpha - 1 и x2+y2=(x+y)2−2xyx^2 + y^2 = (x + y)^2 - 2xy, получаем:

r1,22=c2+(x+y)2−2xy+2xycos⁡2α±2c(x+y)cos⁡α=r_{1,2}^2 = c^2 + (x + y)^2 - 2xy + 2xy \cos 2\alpha \pm 2c(x + y) \cos \alpha =

=c2+(x+y)2−a22cos⁡2α+= c^2 + (x + y)^2 - \frac{a^2}{2 \cos^2 \alpha} +

+a22cos⁡2α(2cos⁡2α−1)±2c(x+y)cos⁡α=+ \frac{a^2}{2 \cos^2 \alpha} (2 \cos^2 \alpha - 1) \pm 2c(x + y) \cos \alpha =

=[c2−a22cos⁡2α]+[(x+y)2+a2±2c(x+y)cos⁡α].(5)= \left[ c^2 - \frac{a^2}{2 \cos^2 \alpha} \right] + \left[ (x + y)^2 + a^2 \pm 2c(x + y) \cos \alpha \right]. \tag{5}

Do схх пор cc было произвольным. Подберем его теперь так, чтобы формула (5) прибрела возможность более простой вид. Положим c=acos⁡αc = \frac{a}{\cos \alpha} (тогда ∣OF2∣=∣OB∣|OF_2| = |OB|, см. рисунок). Тогда формула (5) принимает следующий вид:

r1,22=(x+y)2+a2±2(x+y)a=[(x+y)±a]2.r_{1,2}^2 = (x + y)^2 + a^2 \pm 2(x + y) a = [(x + y) \pm a]^2.

Из рисунка ясно, что x+y>ax + y > a (∣OQ∣>∣OA∣|OQ| > |OA|); следовательно,

r1=(x+y)+a,r2=(x+y)−a.r_1 = (x + y) + a, \quad r_2 = (x + y) - a.

Отсюда получается r1−r2=2ar_1 - r_2 = 2a. Интересно заметить, что r1+r2=2(x+y)r_1 + r_2 = 2(x + y), т. е. с учм а рассмотрён любой мощи гиперболы до ее фокусов разна переменную паралелограмма, лежащое в определенной гиперболы.

45