趣味數(shù)學(xué):圓生橢圓
這是一個(gè)圓,藍(lán)點(diǎn)是它的圓心。

我們?nèi)〔辉趫A心上的一個(gè)點(diǎn)(圖中的黃點(diǎn)),從這個(gè)黃點(diǎn)向四周發(fā)射光線,打到圓周上。

這樣我們就得到了下圖中一系列的線段。

每條線段取中點(diǎn),得到了一系列的點(diǎn)。

每條線段繞自身的中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90度,這時(shí),出現(xiàn)了一個(gè)橢圓,至少它看起來很像橢圓。

那么它是不是橢圓呢?畢竟看起來像橢圓不一定就是橢圓。
我們先假設(shè)它是橢圓,并且大圓圓心(圖中的藍(lán)點(diǎn))和大圓的一個(gè)偏心點(diǎn)(圖中的黃點(diǎn))為它的兩個(gè)焦點(diǎn)。

再來看在橢圓長(zhǎng)軸上的這條線段(圖中的橙色線段),我們猜測(cè)它的中點(diǎn)就是橢圓的一個(gè)頂點(diǎn)。
這個(gè)點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離分別為藍(lán)色的線段和黃色的線段。

又因?yàn)樗蔷€段的中點(diǎn),因此藍(lán)線加黃線等于大圓的半徑。

也就是說,這個(gè)橢圓上的點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之和等于大圓的半徑。
我們?cè)賮砜雌渌木€段。

將線段在圓周上的端點(diǎn)與大圓圓心連起來,顯然,這是大圓的半徑。

橙色線段繞自身的中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90度之后,也就是原線段的中垂線,和大圓半徑相交于一點(diǎn)。

這里我們得到兩個(gè)相等的直角三角形,黃色線段和青色線段相等,所以它到藍(lán)點(diǎn)和黃點(diǎn)的距離之和等于大圓的半徑,這說明它是我們假設(shè)的那個(gè)橢圓上的一個(gè)點(diǎn)。

同時(shí)它也在橙色線段上,因此橙色線段與橢圓相交與這一點(diǎn)。
再來看橙色線段上其他的點(diǎn)。
由于三角兩邊的和大于第三邊,因此其他的點(diǎn)到藍(lán)點(diǎn)和黃點(diǎn)的距離之和大于大圓的半徑,它必然在橢圓之外。

于是我們知道,橙色線與橢圓只有一個(gè)交點(diǎn),它就是橢圓的切線。我們之前通過旋轉(zhuǎn)自身中點(diǎn)90度所得到的一系列線段,是橢圓的切線,或者其延長(zhǎng)線是橢圓的切線,這些切線圍出了一個(gè)橢圓的形狀,這個(gè)橢圓的焦點(diǎn)分別是大圓圓心和偏心點(diǎn),橢圓上的點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之和為大圓的半徑。

引申:反過來,我們也可以得到橢圓切線的一種畫法。