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文檔簡介
阿波羅尼斯圓的數學推導與證明阿波羅尼斯圓的數學推導與證明一、引言阿波羅尼斯圓(ApolloniusCircle)是指一個圓,其上的每一點到兩定點(焦點)的距離之和為常數。這個概念最早由古希臘數學家阿波羅尼奧斯提出,并在他的著作《圓錐曲線》中有詳細討論。本文旨在推導阿波羅尼斯圓的方程,并給出相應的證明。二、阿波羅尼斯圓的方程推導設兩定點為\(A(x_1,y_1)\)和\(B(x_2,y_2)\),常數\(2r\)為圓上任意一點\(P(x,y)\)到\(A\)和\(B\)的距離之和。則有:\[\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}+\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}=2r\]兩邊平方,得:\[(xx_1)^2+(yy_1)^2+2\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}+(xx_2)^2+(yy_2)^2=4r^2\]整理得:\[2\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}=4r^2(xx_1)^2(yy_1)^2(xx_2)^2(yy_2)^2\]令\(t=\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}\),則:\[2t\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}=4r^2t^2(xx_2)^2(yy_2)^2\]平方兩邊,得:\[4t^2((xx_2)^2+(yy_2)^2)=(4r^2t^2(xx_2)^2(yy_2)^2)^2\]整理得:\[4t^2x^28t^2x_2x+4t^2x_2^2+4t^2y^28t^2y_2y+4t^2y_2^2=16r^48r^2t^2+t^48r^2x_2^28r^2y_2^2+x_2^4+y_2^4\]化簡得:\[4t^2x^28t^2x_2x+4t^2y^28t^2y_2y=16r^48r^2t^2t^4+8r^2x_2^2+8r^2y_2^2x_2^4y_2^4\]令\(t=\frac{2r}{2}\),則:\[x^22x_2x+y^22y_2y=r^2x_2^2y_2^2\]整理得:\[(xx_2)^2+(yy_2)^2=r^2(x_2^2+y_2^22r^2)\]因此,阿波羅尼斯圓的方程為:\[(xx_2)^2+(yy_2)^2=2r^2(x_2^2+y_2^2)\]三、阿波羅尼斯圓的證明1.證明圓上的點滿足方程:設\(P(x,y)\)為阿波羅尼斯圓上的任意一點,則有:\[\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}+\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}=2r\]兩邊平方,得:\[(xx_1)^2+(yy_1)^2+2\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}+(xx_2)^2+(yy_2)^2=4r^2\]整理得:\[2\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}=4r^2(xx_1)^2(yy_1)^2(xx_2)^2(yy_2)^2\]兩邊平方,得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=(4r^2(xx_1)^2(yy_1)^2(xx_2)^2(yy_2)^2)^2\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+2(xx_1)^2(xx_2)^2+(yy_1)^4+2(yy_1)^2(yy_2)^2+(xx_2)^4+2(yy_2)^2(xx_2)^2\]整理得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4+2(xx_1)^2(xx_2)^2+2(yy_1)^2(yy_2)^2\]化簡得:\[3(xx_1)^2(xx_2)^2+3(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]兩邊同時除以3,得:\[(xx_1)^2(xx_2)^2+(yy_1)^2(yy_2)^2=\frac{16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4}{3}\]化簡得:\[(xx_1)^2+(yy_1)^2=\frac{16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4}{3}\]整理得:\[(xx_1)^2+(yy_1)^2=\frac{16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4}{3}\]因此,圓上的點滿足方程\((xx_1)^2+(yy_1)^2=\frac{16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4}{3}\)。2.證明方程確實表示阿波羅尼斯圓:設\(P(x,y)\)為滿足方程\((xx_1)^2+(yy_1)^2=\frac{16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4}{3}\)的任意一點,則有:\[\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}+\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}=2r\]兩邊平方,得:\[(xx_1)^2+(yy_1)^2+2\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}+(xx_2)^2+(yy_2)^2=4r^2\]整理得:\[2\sqrt{(xx_1)^2+(yy_1)^2}\sqrt{(xx_2)^2+(yy_2)^2}=4r^2(xx_1)^2(yy_1)^2(xx_2)^2(yy_2)^2\]兩邊平方,得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=(4r^2(xx_1)^2(yy_1)^2(xx_2)^2(yy_2)^2)^2\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]整理得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^4+(xx_2)^4\]化簡得:\[4(xx_1)^2(xx_2)^2+4(yy_1)^2(yy_2)^2=16r^48r^2(xx_1)^28r^2(yy_1)^28r^2(xx_2)^28r^2(yy_2)^2+(xx_1)^4+(yy_1)^
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