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已知三点及切线条件求解旋转后椭圆的方程

已知三点及切线条件求解旋转后椭圆的方程

嘿,我来帮你搞定这个旋转后椭圆方程的求解问题!首先得给你提个醒——你一开始用的$\frac{(x-x_0)2}{a2}+\frac{(y-y_0)2}{b2}=1$是轴对齐的椭圆方程,但题目里的椭圆是旋转过的,这种形式根本不适用,这也是你卡壳的核心原因!旋转后的椭圆会出现xy交叉项,得用二次曲线的一般形式来建模。

下面我给你一步步拆解解法:

第一步:用椭圆的一般二次曲线方程建模

旋转后的椭圆通用方程是:
Ax² + Bxy + Cy² + Dx + Ey + F = 0
这里要满足椭圆的判别式条件:$B² - 4AC < 0$,保证这是椭圆而不是双曲线或抛物线。

第二步:把已知条件逐个转化为方程

我们手里的条件有三个点,加上在$(5,0)$处与x轴相切的约束,刚好能列够方程:

1. 点$(5,0)$在椭圆上且与x轴相切

  • 先把$(5,0)$代入一般方程:$25A + 5D + F = 0$ ——(1)
  • 椭圆在$(5,0)$处的切线是x轴,x轴的斜率为0,用隐函数求导法对一般方程求导:
    $2Ax + B(y + x y') + 2C y y' + D + E y' = 0$
    代入$(5,0)$和$y'=0$(x轴斜率),得到:$10A + D = 0$ ——(2)

2. 椭圆经过$(0,7.9)$和$(0,3.5)$

  • 代入$(0,7.9)$:$7.9²C + 7.9E + F = 0$ ——(3)
  • 代入$(0,3.5)$:$3.5²C + 3.5E + F = 0$ ——(4)

第三步:联立方程求解系数

现在我们来一步步消元:

  1. 用(3)减(4)消去F:
    $(7.9² - 3.5²)C + (7.9 - 3.5)E = 0$
    计算得$7.9²-3.5²=4.4×11.4=50.16$,所以:
    $50.16C + 4.4E = 0$ → $E ≈ -11.4C$ ——(5)
  2. 把(5)代入(4),用C表示F:
    $12.25C + 3.5×(-11.4C) + F = 0$ → $F ≈27.65C$ ——(6)
  3. 从(2)得$D = -10A$,代入(1):
    $25A -50A + F =0$ → $F=25A$ ——(7)
  4. 结合(6)和(7),用C表示A:
    $25A=27.65C$ → $A≈1.106C$ ——(8)

现在把所有系数用C表示后,代入一般方程并除以C(C≠0),得到:
$1.106x² + Bxy + y² -11.06x -11.4y +27.65=0$

第四步:确定最后一个未知数B

这里剩下的B需要结合原椭圆的长半轴a和短半轴b来确定——因为椭圆滚动后,长轴短轴的长度是不变的。我们可以用椭圆的不变量:

  • 不变量$I_1 = A + C$,$I_2 = AC - \frac{B²}{4}$
  • 椭圆的长半轴a和短半轴b满足:$a² + b² = \frac{I_1}{I_2}$,$a²b² = \frac{I_3}{I_2²}$($I_3$是二次曲线的行列式)
    代入已知的原椭圆a、b就能解出唯一的B值,得到最终的椭圆方程。

哦对了,还要记得验证$B²-4AC<0$,确保这是椭圆而不是其他二次曲线。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Amrut Ayan

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