证明由我和konjak_ldx共同完成(其实绝大部分是ldx证的)
这些定义并不是很严谨
定义一个任意的常数k,设两个点 ( x 1 , y 1 ) (x_1,y_1) (x1,y1), ( x 2 , y 2 ) (x_2,y_2) (x2,y2),若满足过两点的直线经过原点且 x 1 2 + y 1 2 ∗ x 2 2 + y 2 2 = k \sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}*\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}=k x12+y12∗x22+y22=k(即两个点到原点的距离乘积),则称它们互为反演点
对于平面直角坐标系内的一个图形,它上面所有点的反演点组成另一个图形,这两个图形互为反象
一个过原点的圆的反象是一条不过原点的直线,一条不过原点的直线的反象是一个过原点的圆
一个不过原点的圆的反象是一个不过原点的圆
这些证明均为解析几何证明,平面几何证明大概可以通过相似来证明,这里只给出解析几何证明(才不是因为懒得再用平面几何证明一遍呢 )
1.一条不过原点的直线的反象是一个过原点的圆:
证明:
设直线上有一点 ( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0) (x0,y0),它的反演点是 ( x ′ , y ′ ) (x',y') (x′,y′),常数为k,设 x ′ = t x 0 , y ′ = t y 0 x'=tx_0,y'=ty_0 x′=tx0,y′=ty0
设直线解析式为 a x + b y + c = 0 ax+by+c=0 ax+by+c=0,则有 a x 0 + b y 0 = − c ax_0+by_0=-c ax0+by0=−c
两边同时乘 k t c \frac{kt}{c} ckt得
k c ( a x ′ + b y ′ ) = − k t … … ① \frac{k}{c}(ax'+by')=-kt……① ck(ax′+by′)=−kt……①
又因为 x 0 2 + y 0 2 ∗ x ′ 2 + y ′ 2 = k \sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}*\sqrt{{x'}^2+{y'}^2}=k x02+y02∗x′2+y′2=k即 x 0 2 + y 0 2 ∗ t x 0 2 + y 0 2 = k \sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}*t\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}=k x02+y02∗tx02+y02=k
得 x 0 2 + y 0 2 = k t {x_0}^2+{y_0}^2=\frac{k}{t} x02+y02=tk
两边同时乘 t 2 t^2 t2得 x ′ 2 + y ′ 2 = k t … … ② {x'}^2+{y'}^2=kt……② x′2+y′2=kt……②
① + ② ①+② ①+②得 x ′ 2 + y ′ 2 + k a c x ′ + k b c y ′ = 0 {x'}^2+{y'}^2+\frac{ka}{c}x'+\frac{kb}{c}y'=0 x′2+y′2+ckax′+ckby′=0
则根据圆的方程解出圆心为 ( − k a 2 c , − k b 2 c ) (-\frac{ka}{2c},-\frac{kb}{2c}) (−2cka,−2ckb),半径为 k a 2 + b 2 2 ∣ c ∣ \frac{k\sqrt{a^2+b^2}}{2|c|} 2∣c∣ka2+b2
这个圆的方程为 ( x + k a 2 c ) 2 + ( y + k b 2 c ) 2 = k 2 ( a 2 + b 2 ) 4 c 2 (x+\frac{ka}{2c})^2+(y+\frac{kb}{2c})^2=\frac{k^2(a^2+b^2)}{4c^2} (x+2cka)2+(y+2ckb)2=4c2k2(a2+b2)
且c作分母,直线不过原点, c = ̸ 0 c =\not 0 c≠0
将 ( 0 , 0 ) (0,0) (0,0)代入圆的方程得 ( k a 2 c ) 2 + ( k b 2 c ) 2 = k 2 ( a 2 + b 2 ) 4 c 2 (\frac{ka}{2c})^2+(\frac{kb}{2c})^2=\frac{k^2(a^2+b^2)}{4c^2} (2cka)2+(2ckb)2=4c2k2(a2+b2),圆过原点
证毕
2.一个过原点的圆的反象是一条不过原点的直线:
证明:
设圆线上有一点 ( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0) (x0,y0),它的反演点是 ( x ′ , y ′ ) (x',y') (x′,y′),常数为k,设 x ′ = t x 0 , y ′ = t y 0 x'=tx_0,y'=ty_0 x′=tx0,y′=ty0
设圆解析式为 ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = r 2 (x-a)^2+(y-b)^2=r^2 (x−a)2+(y−b)2=r2,且 a 2 + b 2 = r 2 a^2+b^2=r^2 a2+b2=r2,则有 x 0 2 + y 0 2 − 2 a x 0 − 2 a y 0 = 0 … … ① {x_0}^2+{y_0}^2-2ax_0-2ay_0=0……① x02+y02−2ax0−2ay0=0……①
同上,有 x 0 2 + y 0 2 = k t … … ② {x_0}^2+{y_0}^2=\frac{k}{t}……② x02+y02=tk……②
① ① ①代入 ② ② ②得 k t − 2 a x 0 − 2 a y 0 = 0 \frac{k}{t}-2ax_0-2ay_0=0 tk−2ax0−2ay0=0
两边同时乘 t t t得到直线的解析式为 2 a x + 2 b y − k = 0 2ax+2by-k=0 2ax+2by−k=0
且 k = ̸ 0 k=\not0 k≠0,直线不过原点
证毕
3.一个不过原点的圆的反象是一个不过原点的圆:
证明:
设圆上有一点 ( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0) (x0,y0),它的反演点是 ( x ′ , y ′ ) (x',y') (x′,y′),常数为k,设 x ′ = t x 0 , y ′ = t y 0 x'=tx_0,y'=ty_0 x′=tx0,y′=ty0
设圆解析式为 ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = a 2 + b 2 + S (x-a)^2+(y-b)^2=a^2+b^2+S (x−a)2+(y−b)2=a2+b2+S, S = ̸ 0 S=\not0 S≠0, a 2 + b 2 + S > 0 a^2+b^2+S>0 a2+b2+S>0则有 x 0 2 + y 0 2 − 2 a x 0 − 2 a y 0 = S … … ① {x_0}^2+{y_0}^2-2ax_0-2ay_0=S……① x02+y02−2ax0−2ay0=S……①
同上,有 x ′ 2 + y ′ 2 = k t {x'}^2+{y'}^2=kt x′2+y′2=kt
则有 S x ′ 2 + S y ′ 2 = S k t … … ① S{x'}^2+S{y'}^2=Skt……① Sx′2+Sy′2=Skt……①
同上,有 2 a x ′ + 2 b y ′ + S t = k … … ② 2ax'+2by'+St=k……② 2ax′+2by′+St=k……②
① ① ①代入 ② ② ②得 2 a x ′ + 2 b y ′ + S k x ′ 2 + S k y ′ 2 = k 2ax'+2by'+\frac{S}{k}x'^2+\frac{S}{k}y'^2=k 2ax′+2by′+kSx′2+kSy′2=k
则根据圆的方程解出圆心为 ( − k a S , − k b S ) (-\frac{ka}{S},-\frac{kb}{S}) (−Ska,−Skb),半径为 k + k 2 ( a 2 + b 2 ) S 2 \sqrt{k+\frac{k^2(a^2+b^2)}{S^2}} k+S2k2(a2+b2)
圆的方程为 ( x + a k S ) 2 + ( y + b k S ) 2 = k + k 2 ( a 2 + b 2 ) S 2 (x+\frac{ak}{S})^2+(y+\frac{bk}{S})^2=k+\frac{k^2(a^2+b^2)}{S^2} (x+Sak)2+(y+Sbk)2=k+S2k2(a2+b2)
将 ( 0 , 0 ) (0,0) (0,0)代入不成立,所以这个圆不过原点
证毕
关于反演比例k和圆的圆心、半径,直线的解析式的关系见证明过程
相切:若一个过原点的圆与一个不过原点的圆相切,则反演过后的圆与直线相切
相交:若一个过原点的圆与一个不过原点的圆相交,则反演过后的圆与直线相交
相离:若一个过原点的圆与一个不过原点的圆相离,则反演过后的圆与直线相离
给定两个圆,已知他们在一点相切,求在右边的月牙形中塞进一个最大的圆的方案,输出这个圆的圆心和半径,然后在剩下的部分再塞入一个最大的圆。。。以此类推
解法:把两个大圆反演成两条平行直线,然后塞入一个圆时,它反演之后变为另外一个圆,根据相切,它会夹在这两条平行直线之间,那么就这样一直加入就行了