在椭圆(
双曲线)中,任意两条互相垂直的
切线的交点都在同一个圆上,它的圆心是椭圆(双曲线)的中心,半径等于长半轴(实半轴)与短半轴(虚半轴)平方和(差)的
算术平方根,这个圆叫蒙日圆。
定义
过圆锥曲线外一点作两条互相垂直的切线,那么这一点的轨迹是一个圆,这个圆被称为蒙日圆,又叫外
准圆。
方程
椭圆的蒙日圆方程为
双曲线的蒙日圆方程为
抛物线的蒙日圆方程为
注意:双曲线中只有当a>b时才有蒙日圆,此时
离心率满足;抛物线的蒙日圆恰好为其
准线(直线是半径为
无穷大的圆)。
性质
过蒙日圆上一点作
圆锥曲线的两条切线,则这两条切线互相垂直。
证明
方法1
设椭圆中心为O,焦点是F1,F2.焦点到中心距离为c。PM,PN是椭圆两条
切线,且互相垂直。
连OP.作OG垂直于PM,OH垂直于PN.并做F1D垂直于PM。
做F1K垂直于OG,记角OF1K=k,则
DG=F1K=c*cosk
OG^2=OD^2-DG^2=a^2-c^2cos^2k
考虑另一焦点F2,做F2E垂直于PN,F2L垂直于OH.仿上得
OH^2=a^2-c^2sin^2k
进而得到
OP^2=OH^2+OG^2
=a^2+(a^2-c^2)
=a^2+b^2
以上过程中的a,b,分别是长短轴半径。
方法2
(如图1)
方法3
设圆锥曲线Σ的方程为,其中
系数矩阵满秩(即
系数行列式≠0)。
设平面内有一点,P不在Σ上。过P作Σ的切线,当切线斜率存在时,设切线斜率为k,则
切线方程可写作。联立曲线方程,消去y得
为书写方便,令,由切线与圆锥曲线只有一个交点可得,即:
观察上式,当把代入之后可知前三项都含有k2,可写出二次项系数为。同理,第一、四、六项含有
常数项,可以写出常数项为。
两条切线互相垂直,斜率之积为-1,因此由
韦达定理得
整理得到
当切线斜率不存在时,很明显两条切线分别为x=x0和y=y0。
联立x=x0与Σ的方程,得到。
由得。
同理,。
两个方程相加,恰好得到此时P的坐标满足方程
习惯上用x和y表示动点坐标,所以上式的x0和y0均改为x和y,即得到P的轨迹方程。
因x2和y2的系数相同,且缺少含xy的项,所以方程表示一个圆,即P的轨迹是一个圆(实圆、点圆、虚圆均可)。
蒙日圆类型
抛物线
通过选取相应的
坐标系,可把
抛物线方程化为。此时A=0,B=0,C=1,D=-p,E=0,F=0。
代入蒙日圆的方程中,可以得到,或。这恰好是
抛物线的
准线方程,因此抛物线的蒙日圆是其准线。这也可以从蒙日圆的一般方程中看出,因抛物线满足AC-B2=0,所以蒙日圆方程的
二次项系数为0,方程退化为一条直线。
由此还能得出一个推论:过抛物线准线上的一点作抛物线的两条切线,这两条切线互相垂直。
椭圆
通过选取相应的坐标系,可把椭圆方程化为,或。此时A=b2,B=0,C=a2,D=0,E=0,F=-a2b2。
代入蒙日圆的方程中,可以得到,或。
由于a2+b2>0
恒成立,所以椭圆的蒙日圆总是存在的。
双曲线
通过选取相应的坐标系,可把双曲线方程化为,或。此时A=b2,B=0,C=-a2,D=0,E=0,F=-a2b2。
代入蒙日圆的方程中,可以得到,或。
当a>b时,a2-b2>0,因此
双曲线的蒙日圆存在。
但当a=b时,a2-b2=0,方程退化为一个点(0,0)。此时易证过(0,0)的直线要么和双曲线有两个交点,要么没有交点(因为双曲线关于
中心对称),所以过(0,0)无法作双曲线的切线,自然也不存在两条互相垂直的切线。
而当a
综上,只有当a>b时(或
离心率时),双曲线才有蒙日圆。