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根据场来求源,则为反演,通常反演是很困难的。其最大的特点就是多解性,这是不可避免的,我们只能加一些规范来减少多解性。更详细的内容请参考反演有关的书籍。
1、反演中心不存在反演点。不共线的两对反演点共圆,且此圆与反演基圆正交。与反演基圆正交的圆,其反象为原圆。
2、反演变换φ把通过反演中心O的任一条直线变成自身。即通过反演中心的任何直线都是该反演变换下的不变图形。(直线→直线)
定理
反演变换把(广义)圆周变成(广义)圆周。这个定理常称为反演变换的保圆性。
任何两条直线在它们的交点A的夹角,等于它们的反演图形在相应点A′的夹角,但方向相反。
两个相交圆周在交点A的夹角等于它们的反演图形在相应点A′的夹角,但方向相反。
一条直线和一个圆周在交点A的夹角等于它们的反演图形在相应点A′的夹角,但方向相反。
让我们深入探讨反演变换中的经典难题——阿波罗尼奥斯问题,这是一段充满历史韵味的数学之旅,涉及圆与艺术般的几何构图。阿波罗尼奥斯,这位古希腊数学家的智慧遗产,为我们揭示了如何仅用尺规,优雅地构建出与三个已知圆均相切的新圆。
首先,让我们通过GeoGebra软件的演示,领略这三种神奇的场景:内切、外切以及两内切一外切。每个场景背后,都隐藏着圆幂、根轴和根心这三个关键概念的巧妙运用。
圆幂揭示秘密:圆幂定理,如同一颗璀璨的宝石,隐藏在两条相交圆线的交点与圆幂之间的数学关系中。它描绘的是点与圆的亲密对话,每个点的坐标和圆的方程交织出一幅精妙的几何画卷。
根轴与轨迹交织:想象一下,当两个等幂圆的舞伴们携手起舞,它们的根轴——那条连结它们的直线,就如同几何舞步的轨迹,它与圆心的连线优雅地垂直,有时甚至成为切线或共享弦的舞台。
根心的神秘位置:三个圆的根轴如同三重奏的旋律,或汇聚于一点,或平行延伸。根心定理,如同指挥棒,引导我们理解圆心位置与根轴方程间的和谐共振。
当两根轴的旋律交织,它们揭示了第三个方程的秘密:无论公共解的旋律如何奏响,第三个轴总是与前两者形成和谐的和弦。两圆的位似中心,宛如音乐中的高音和低音,外公切线与内公切线的交汇,分别奏出外位似中心和内位似中心的旋律,而三个不同圆的外位似中心,则如同音乐的主旋律,共同谱写了一曲几何的交响乐。
极点与极线的交响:圆的极点,如同乐曲中的高潮,是切线弦与圆的亲密接触点,而极线则是引导我们探寻几何乐章的线索。阿波罗尼奥斯问题,就像一首尺规作图的交响诗,通过根心、外位似中心和极点的巧妙组合,描绘出圆的作图艺术。
尽管作图的过程可能显得复杂,但实践出真知。在精心设计的课件中,我们提供自定义工具,如根心等,只需轻轻一点,便能解锁这些几何奥秘。让我们一起沉浸在这充满智慧的旋律中,感受阿波罗尼奥斯问题的魅力吧。
对于平面上两个半径不等且圆心不同的圆⊙A,⊙B.
总存直线AB上的两点M, N, 使得分别存在以M, N为中心的位似变换, 将⊙A变为⊙B.
根据位似比的正负将二者区分为外位似中心M和内位似中心N.
(当相应的公切线存在时, 内, 外位似中心就是两圆内, 外公切线的交点).
由位似的性质可得:
当两圆不内含或内切时, 存在⊙M, 使得关于⊙M的反演交换将⊙A变为⊙B (同时⊙B变为⊙A);
当两圆不外离或外切时,存在⊙N, 使得关于⊙N的反演交换将⊙A变为⊙B (同时⊙B变为⊙A).
于是根据两圆的位置关系, 可以得到一个或两个圆, 记为轨迹Γ.
结论是: 以轨迹Γ上任意一点O为圆心的反演变换将⊙A和⊙B映为等圆.
其中包括一个极限情形: 两圆相交时轨迹Γ也过两圆交点, 若取O为交点,
则⊙A, ⊙B都反演为直线, 即半径无穷大的"等圆".
如果不接受半径无穷大的概念, 可以从轨迹Γ中去掉交点.
以上结论我是用解析法计算得到的, 虽然计算比较简单, 但是感觉应该有更好的证法.
因此不在这里写证明了, 等想到好方法再说 (需要的话请追问).
这里就附一下图.
说明: 图中的绿色和蓝色大圆分别是⊙A, ⊙B;
紫色虚线圆是轨迹Γ, 也即⊙M, ⊙N;
红色圆⊙O1, ⊙O2是圆心分别在⊙M, ⊙N上的反演圆;
反演得到的圆都以与原来相同的颜色表明.
半径相等这一点至少看上去是对的 (需要怎样的明确表示也请追问).
a) 相交情形:
b) 外离情形:
c) 内含情形:
不论内切外切都只是⊙M与⊙N之一退化为1点的情形, 并没有太大区别.
所以暂时不附了, 需要还请追问.
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