自然哲学的数学原理,第五章引理19

下面介绍引理 19,这是一个作图题。要求是:给定了直线 、、、 及四个角,求作一点 ,使得过 向四条已知直线分别作线段 、、、,与已知直线相交于给定角度,并且 是给定的值。

需要提前说明的是,原文中的表述非常难懂,以下都是基于本人对《原理》中文版的理解而写的,我只能希望没有错误。下面重述作图过程并作解释:

第一步:过 点作任意方向的射线,分别交 、 于点 、,显然 上任意点(图中以小写的 代表)向 、 所作的与 、 分别成指定角度的线段 、 之比恒定。

第二步:作一条和 平行的直线(图中以小写的 表示),显然这条线上任意点向 所作的与 成指定角度的线段长度恒定,为下文叙述方便不妨将其记为 。

第三步:根据题目要求的比例,现在 以及 都是恒定的,可以根据 给定比例(上图以 代表)求出 。

第四步:作出一条和 平行的直线 ,要求过这条平行线上的点向 作指定角度的线段长度为 , 与 交于一点。

第五步:连接上面的交点和点 ,并延长,与 交于一点 。

点 即为所求。(第一步作的 线不同,则最后得到的 点也不同,全部符合同样条件的 点构成一条过 的圆锥曲线)


牛顿接下来给出了两个推论,下面分别叙述:

推论 1 是讲已知圆锥曲线上有限个点怎么作切线的。切线是弦的极限,当上面的 点逐渐靠近点 时, 即为切线。作图原理逐条叙述如下:

首先,连接 点,从 点向 、 分别以指定的角度作线段 和 ,可以得到 的值,这就是当 趋近于 时 的极限,或者用牛顿的话来说,叫做“最后比”。

其次,当上图中的 向 无限接近时,、、、 各点也向 点无限接近。考虑无限小的三角形 中,角 是提前给定的,角 因为是 的对顶角,所以趋近于 。既然角 和 在 趋近于 时都是已知的,所以 在 趋近于 时的极限是可求的。

类似的, 在 趋近于 时的极限也是可以求的。这里涉及的两个角分别是角 (已知角)和 (趋于 )。

现在我们知道了 和 、 在 趋于 时的极限,以及题目中给定的 的值。所以这时 的值是可以求出的。然后过 作 与 平行,交 于 ,分 于点 ,使 等于 ,并连接 。

即为该圆锥曲线在 处的切线。

推论 2 讲的是如何判断曲线的具体形状:设过 的切线为 ,过 作平行于 的弦 ,且 的中点是 ,连接 ,则最后的这条连线如果和圆锥曲线只有一个交点 ,那么圆锥曲线为抛物线;如果有两个交点 、 且位于 的同侧,则圆锥曲线为双曲线;如果两个交点 、 位于 的异侧,则圆锥曲线为椭圆。(下图中, 是圆锥曲线上平行于切线 的任意弦, 是 的中点, 是过焦点且平行于 的弦, 是过焦点且平行于 的弦,红点是焦点)

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说明:

1、前面双曲线和椭圆图中的比例式,牛顿的原文是“…… 是直径或横向通径,而通径与它的比为 比 ”,经笔者用几何画板多方试验,得到现在的比例;

2、牛顿在推论 2 之后有一段话:“这样,我们在此推论中对始自欧几里得、继之阿波罗尼奥斯所研究的著名四线问题给出解答,在此不用分析计算,而用几何作图,正是古人所要求的。”

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