问题

一个点到两个定点的距离乘积为定值,这个点的轨迹是什么?

回答
这个问题其实是个经典的几何问题,涉及到平面上点的轨迹。如果一个点到两个固定不动的点,它们之间的距离的乘积是个固定的数,那么这个点在平面上会沿着一条什么样的曲线运动呢?

咱们先给这两个定点起个名字,假设它们是点 $A$ 和点 $B$。 在平面上,我们用坐标来表示它们。比如,我们可以把它们放在坐标轴上,让 $A$ 在 $(c, 0)$ 的位置,而 $B$ 在 $(c, 0)$ 的位置,其中 $c$ 是一个正常数,表示这两个点之间的距离的一半。这样设置是为了让计算更方便一些,而且不失一般性,因为我们可以随时通过坐标变换把任何两个定点转化成这种形式。

现在,假设我们要找的那个点叫 $P$,它的坐标是 $(x, y)$。 我们要研究的是满足以下条件的点 $P$ 的轨迹:

$PA cdot PB = k$

这里,$PA$ 表示点 $P$ 到点 $A$ 的距离,$PB$ 表示点 $P$ 到点 $B$ 的距离,而 $k$ 是一个固定的正数。

咱们用距离公式来把这个关系写出来:

$PA = sqrt{(x (c))^2 + (y 0)^2} = sqrt{(x+c)^2 + y^2}$
$PB = sqrt{(x c)^2 + (y 0)^2} = sqrt{(xc)^2 + y^2}$

所以,我们的方程就变成了:

$sqrt{(x+c)^2 + y^2} cdot sqrt{(xc)^2 + y^2} = k$

为了去掉这些根号,我们可以先把方程两边都平方一下:

$((x+c)^2 + y^2) cdot ((xc)^2 + y^2) = k^2$

展开一下括号里面的内容:

$(x^2 + 2xc + c^2 + y^2) cdot (x^2 2xc + c^2 + y^2) = k^2$

为了让展开更系统,我们可以把 $(x^2 + c^2 + y^2)$ 看作一个整体,然后这样写:

$((x^2 + c^2 + y^2) + 2xc) cdot ((x^2 + c^2 + y^2) 2xc) = k^2$

现在,这变成了一个 $(a+b)(ab)$ 的形式,其中 $a = x^2 + c^2 + y^2$,$b = 2xc$。 所以平方展开后是 $a^2 b^2$:

$(x^2 + c^2 + y^2)^2 (2xc)^2 = k^2$

$(x^2 + c^2 + y^2)^2 4x^2c^2 = k^2$

再把 $(x^2 + c^2 + y^2)^2$ 展开:

$(x^2 + c^2)^2 + 2(x^2 + c^2)y^2 + y^4 4x^2c^2 = k^2$

$x^4 + 2x^2c^2 + c^4 + 2x^2y^2 + 2c^2y^2 + y^4 4x^2c^2 = k^2$

把同类项合并一下:

$x^4 + y^4 + 2x^2y^2 2x^2c^2 + 2c^2y^2 + c^4 = k^2$

把所有项都移到一边,让右边等于0:

$x^4 + y^4 + 2x^2y^2 2x^2c^2 + 2c^2y^2 + c^4 k^2 = 0$

这个方程看起来有点复杂,但我们可以尝试把它整理成更熟悉的形状。 注意到 $x^4 + 2x^2y^2 + y^4$ 其实就是 $(x^2 + y^2)^2$。

所以,方程可以写成:

$(x^2 + y^2)^2 2c^2(x^2 y^2) + c^4 k^2 = 0$

这个形式仍然不是非常直观。我们再回到 $(x^2 + c^2 + y^2)^2 4x^2c^2 = k^2$ 这个地方,尝试做一些其他的整理。

将 $4x^2c^2$ 移到右边:

$(x^2 + c^2 + y^2)^2 = k^2 + 4x^2c^2$

现在,我们可以把左边也展开,然后和右边一起整理。 不过,我们也可以注意到一个关键点。

我们知道,如果 $PA + PB = k'$(距离和为定值),轨迹是椭圆。如果 $|PA PB| = k''$(距离差为定值),轨迹是双曲线。 而这里是距离的乘积。

让咱们回到 $PA cdot PB = k$ 这个方程,也就是 $sqrt{(x+c)^2 + y^2} cdot sqrt{(xc)^2 + y^2} = k$。

有没有什么情况让这个方程变得简单?

当点 $P$ 远离 $A$ 和 $B$ 的时候,也就是 $x$ 很大时,$(x+c)^2 approx x^2$, $(xc)^2 approx x^2$。
那么 $PA approx sqrt{x^2 + y^2}$, $PB approx sqrt{x^2 + y^2}$。
所以,$PA cdot PB approx (x^2 + y^2) = k$。
如果 $k$ 是一个正数,并且我们要求 $x^2 + y^2 = k$,这看起来像是一个圆,但是 $k$ 需要是 $x^2+y^2$ 的平方根。这里是乘积。

我们再来看看方程 $x^4 + y^4 + 2x^2y^2 2x^2c^2 + 2c^2y^2 + c^4 k^2 = 0$。

其实,我们可以通过一些巧妙的代数变形,把它变成一个更熟悉的方程。

考虑一个特殊的例子:如果 $k$ 非常小,接近于0。那么 $PA cdot PB = 0$。这意味着 $PA = 0$ 或 $PB = 0$。 所以点 $P$ 要么在点 $A$ 上,要么在点 $B$ 上。 这时候轨迹就是两个点。

如果 $k$ 非常大呢? 假设 $k$ 远大于 $c^2$。

我们再回到 $(x^2 + c^2 + y^2)^2 4x^2c^2 = k^2$。
展开左边:
$(x^2 + c^2 + y^2)(x^2 + c^2 + y^2) = (x^2+c^2)^2 + 2(x^2+c^2)y^2 + y^4$
$= x^4 + 2x^2c^2 + c^4 + 2x^2y^2 + 2c^2y^2 + y^4$

所以方程是:
$x^4 + 2x^2c^2 + c^4 + 2x^2y^2 + 2c^2y^2 + y^4 4x^2c^2 = k^2$
$x^4 + y^4 + 2x^2y^2 2x^2c^2 + 2c^2y^2 + c^4 k^2 = 0$

我们也可以尝试另一种方式,把 $x^2+c^2$ 和 $x^2c^2$ 分开处理。
$sqrt{(x+c)^2+y^2}sqrt{(xc)^2+y^2} = k$
$sqrt{x^2+2xc+c^2+y^2}sqrt{x^22xc+c^2+y^2} = k$
$sqrt{(x^2+c^2+y^2)+2xc}sqrt{(x^2+c^2+y^2)2xc} = k$
$(x^2+c^2+y^2)^2 (2xc)^2 = k^2$
$(x^2+c^2+y^2)^2 4x^2c^2 = k^2$

这是我们之前得到的方程。 这个方程描述的曲线被称为刘维尔曲线或卡西尼卵形线 (Cassini oval)。

这个曲线的形状取决于 $k$ 相对于 $c$ 的大小。

1. 当 $k > c^2$ 时:
这个方程描述的是一个封闭的卵形曲线。 它有点像一个压扁的圆,或者一个非常肥厚的椭圆。 当 $k$ 远大于 $c^2$ 时,这个曲线会非常接近一个圆。 具体来说,当 $k = c^2 sqrt{2}$ 时,曲线会变成一个圆(或者说两个重合的圆,这取决于严格的定义)。 当 $k$ 趋向于无穷大时,它趋向于一个圆心在原点,半径为 $k$ 的圆(但这里的 $k$ 不是半径)。

让我们尝试从 $(x^2 + c^2 + y^2)^2 4x^2c^2 = k^2$ 继续推导。
把 $4x^2c^2$ 移到右边:$(x^2 + c^2 + y^2)^2 = k^2 + 4x^2c^2$
再把 $x^2c^2$ 拆成 $x^2c^2 + x^2c^2$ 似乎没有帮助。

一个关键的代数技巧是这样的:
将 $(x^2+y^2)^2 2c^2(x^2y^2) + c^4 k^2 = 0$ 改写成:
$(x^2+y^2)^2 2c^2x^2 + 2c^2y^2 + c^4 k^2 = 0$
我们可以尝试配方,让它看起来更像椭圆或圆。

实际上,这个曲线的标准方程可以通过一些复杂的代数操作得到,但直观理解其形状是更重要的。 卡西尼卵形线在几何上有一个有趣的性质:它是所有到两个焦点(这里是 $A$ 和 $B$)距离乘积为定值的点的轨迹。

形状的描述:
当 $k$ 稍微大于 $c^2$ 时,它更像一个在 $A$ 和 $B$ 附近的“瘦长”的形状。
当 $k$ 增大时,曲线会变得更圆润,直到 $k = c^2sqrt{2}$ 时,它变成一个圆。
当 $k$ 远大于 $c^2$ 时,它接近于以原点为圆心,半径为 $sqrt{k}$ 的圆(注意这里是近似)。

2. 当 $k = c^2$ 时:
方程变成 $((x+c)^2 + y^2) cdot ((xc)^2 + y^2) = c^4$。
如果 $x = 0$,那么 $(c^2+y^2)(c^2+y^2) = c^4$,即 $(c^2+y^2)^2 = c^4$。
$c^2+y^2 = c^2$ (因为 $c^2+y^2$ 必须是正的),所以 $y^2 = 0$,即 $y=0$。
所以点 $(0,0)$ 在曲线上。

当 $k = c^2$ 时,这个曲线实际上是两个相互重叠的圆,每个圆都通过其中一个焦点,并且与对方的焦点相切。 更准确地说,它不是两个重叠的圆,而是一条形状类似于无限大符号的曲线。 想象一下两个紧挨着的圆,每个圆的圆心在 $A$ 和 $B$ 上,半径为 $c$。 当 $k=c^2$ 时,轨迹会通过 $A$ 和 $B$ 的中点,并且在中点处形成一个尖角(切线是垂直的)。

让我们代入 $k=c^2$ 看看:
$(x^2 + c^2 + y^2)^2 4x^2c^2 = (c^2)^2 = c^4$
$(x^2 + c^2 + y^2)^2 = c^4 + 4x^2c^2$
如果 $x=0$, $(c^2+y^2)^2 = c^4$,所以 $c^2+y^2=c^2$, $y=0$.
如果 $y=0$, $(x^2+c^2)^2 4x^2c^2 = c^4$
$x^4 + 2x^2c^2 + c^4 4x^2c^2 = c^4$
$x^4 2x^2c^2 = 0$
$x^2(x^2 2c^2) = 0$
所以 $x=0$ 或 $x^2 = 2c^2$, $x = pm csqrt{2}$。
所以当 $k=c^2$ 时,曲线通过 $(0,0)$, $(csqrt{2}, 0)$ 和 $(csqrt{2}, 0)$。 这与上面提到的两个圆重叠的情况不符,我可能记混了。

让我们重新确认一下 $k=c^2$ 时的情况。 当 $PA cdot PB = c^2$ 时,这个曲线叫做Lemniscate of Bernoulli(伯努利双纽线)的特例。 它是一个双纽线,形状像数字“8”,并且在中心处有一个尖点。 两个焦点 $A$ 和 $B$ 位于双纽线的“眼睛”区域。 当 $k$ 稍大于 $c^2$ 时,它就会变成封闭的卵形。

3. 当 $k < c^2$ 时:
在这种情况下,轨迹是不存在的。 也就是说,平面上不存在满足条件的点 $P$。 为什么呢? 因为根据几何平均值不等式,对于任意两个正数 $a$ 和 $b$,都有 $sqrt{ab} le frac{a+b}{2}$。 而我们这里是乘积。 另外一个思考方向是:点 $P$ 离 $A$ 和 $B$ 的距离的乘积,在 $P$ 处于 $A$ 和 $B$ 中点时达到最小值。 如果这个最小值都小于 $k$,那么就不存在了。 实际上,当 $P$ 在 $A$ 和 $B$ 连线的中点时, $PA = PB = c$。 此时 $PA cdot PB = c^2$。 所以如果 $k < c^2$,就不可能存在这样的点。

总结一下:

一个点到两个定点(比如 $A$ 和 $B$,它们之间的距离是 $2c$)的距离乘积为定值 $k$,则该点的轨迹是:

当 $k > c^2$ 时: 一个封闭的卵形曲线,称为卡西尼卵形线 (Cassini oval)。 当 $k$ 远大于 $c^2$ 时,它近似于一个圆。
当 $k = c^2$ 时: 一条双纽线 (Lemniscate of Bernoulli),形状像数字“8”。
当 $0 < k < c^2$ 时: 不存在这样的轨迹。
当 $k = 0$ 时: 轨迹是两个定点 $A$ 和 $B$ 本身。

所以,简单地说,这个轨迹的名称是卡西尼卵形线,其具体形状取决于定值 $k$ 和两个定点之间的距离。

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乘积为定值, 卡西尼卵形线(Cassini oval)


商为定值, 阿波罗尼奥斯圆(Apollonian circles)中的一个


差为定值, 双曲线(Hyperbola)中的一支

和为定值, 椭圆(Ellipse)


其他乱七八糟的函数定值:

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