楕円の反射定理とその証明
楕円の焦点から出た光は,反射してから反対側の焦点を通る。
楕円に関する有名な定理です。証明するのは意外と(計算が)大変ですが,座標計算のよい練習になります。
証明すべきこと
証明すべきこと
証明すべきことをもう少しきちんと書きます。
楕円 の焦点を とおく。この楕円上の点 における接線を とおく。 と がなす角と, と がなす角が等しいことを証明せよ。
これが証明されれば, から に向かって出た光が で反射して に向かうことが分かります(光が反射するとき,入射角と反射角は等しいので)。
証明が長いので3ステップに分けて解説します。
- 辺の条件にする(考え方重要)
- 各部分の長さを求める(計算テクニック重要)
- 最後の詰め(ただの作業)
ステップ1:辺の条件にする
ステップ1:辺の条件にする
のとき定理が成り立つのは自明なので, として考えます。
角度の条件を座標で扱うのは難しいので,角の二等分線定理を用いて辺の条件に言い換えます。
における法線と 軸との交点を とおく。
を証明すればよい。これは(角の二等分線定理より), と同値。
あとは, などの長さを求めて上式を確認すればよい!
ステップ2:各部分の長さを求める
ステップ2:各部分の長さを求める
ここからやることは一本道ですが,計算がけっこう大変です。
については後述の余談を知っていると安心できます。
については楕円の法線の方程式(→垂直な直線の方程式の求め方と応用【垂直条件】の記事末)を知っていると楽です。
に注意する。
・ の長さ
三平方の定理より,
ここで, を用いて を消去すると,
( より)
また, より,
・ の長さ
楕円の における法線は, である。
この式で とすることで, の 座標が と分かる。
よって, となる。
余談: を求めたときの議論により 楕円上の点 と焦点の距離はきれいになる( の 座標の一次式になる)ことが分かります。
これはけっこう重要な事実です(この事実を知っていると上記のように見通しよく計算できる)。
ステップ3:最後の詰め
ステップ3:最後の詰め
普通に と を計算してもOKですが,よく観察するとショートカットできます。
,
が分かるので証明すべき比の式が示された。
双曲線でも同様の性質が成り立ちます!