@sergosar

Как построить уравнение эллипса с заданным центром, который касается двух заданных отрезков в заданных точках?

Всем привет.

Есть следующая задача.

Даны два отрезка(задаются по двум точкам), точки касания эллипса и отрезков и координаты центра эллипса, требуется построить сам эллипс, т.е. найти найти все коэффициенты уравнения эллипса Ax2+ Bxy + Cy2 + Dx + Ey = 1.

Может кто нибудь подскажет метод решения или где надо копать. спасибо заранее
  • Вопрос задан
  • 195 просмотров
Решения вопроса 1
wataru
@wataru
Во-первых, перенесите центр системы координат в центр элипса - вычтите его из всех координат точек касания. В самом конце надо будет сделать обратный переход и подставить x=x-x0, y=y-y0 в уравнение.

При выборе правильной системы координат, эллипс становится окружностью, ведь его уравнение x^2/a^2+y^2/b^2=1. Все остальное - это от переноса центра координат и поворота эллипса.

Давайте переобразуем нашу систему координат, повернув на какой-то угол и сжав вдоль оси X, чтобы получить круг.

с- cos(угол), s=sin(угол) k- коэффициент сжатия.

Тогда новая система координат - {kc,ks}, {s,-c}. Преобразуем в эту систему координат тички касания и вектора касательных. Они так и останутся касающимися нашего эллипса, ведь преобразования поворота и сжатия оставит прямые прямыми, а эллипс - эллипсом (или кругом).

Если x1,y1 - точка касания, а {xv, yv} - вектор касательной, то:

x1' = x1*kc+y1*ks

y1' = x1*s-y1*c

xv' = xv*kc+yv*ks

yv' = xv*s-yv*c

Это просто формулы перобразования между системами координат. Аналогично можно сделать для x2', y2', xw,' yw'.

Теперь составим уравнения. Мы же хотим найти преобразование, в котором наш эллипс будет окружностью. Во-первых, расстояния до точек касания должны быть одинаковыми. Во-вторых, касательные вектора должны быть перпендикулярны векторам из начала координат к точкам касания.

Если аккуратно расписать x1'*x1'+y1'*y1'-x2'*x2'-y2'*y2' = 0, и заменить c^2=1-s^2, то будет:

(y1*y1-y2*y2-x1*x1+x2*x2)*kkss + (2*x1*y1-2*x2*y2)kkcs + (x1*x1-x2*x2-y1*y1+y2*y2)ss +(2*x2*y2-2*x1*y1)*cs +(x1*x1-x2*x2)*kk+(y1*y1-y2*y2)=0

Советую не верить мне тут с коэффициентами, а пепроверить их самостоятельно.

Аналогичные уравнения для касательных x1'*xv'+y1'*yv' = 0:
(y1*yv-x1*xv)*kkss + (x1*yv+y1*xv)kkcs + (x1*xv-y1*yv)ss +(-x1*yv-y1*xv)*cs +(x1*xv)*kk-y1*yv=0

Важно заметить, что у нас тут 3 уравнения вида:

A*kkss+B*kkcs-Ass-Bcs+Ckk+D=0, где константые коэффициенты A,B,C,D (разные в трех уравнениях) и 3 переменные k,s,c. Еще есть дополнительное условие s*s+c*c=1, это же синусы/косинусы угла, и k!=0. k может быть и отрицательным, это означало бы отражение и сжатие системы координат. Под наши цели подходит.

Обратите внимание, 3-е и 4-ое слагаемые идут с теми же коээфициентами, что и 1-е и 2-е, но с обратными знаками. Можно подобрать такие коээфициенты для первых двух уравнений, что если их прибавить к тертьему уравнению, то коэффициенты перед kkss,kkcs,ss,cs - все станут равны нулю. Это надо решить систему из двух линейных уравнений.
Пусть коээфициенты в уравнениях A1,A2,A3,B1,B2,B3,C1 и т.д. (напоминаю, это константы, вычеслимые через заданные координаты точек и векторов касания). Введем 2 переменные x, y - коээфециенты, с какими прибавлять первые 2 уравнения к тертьему. Условия: A1*x+A2*y+A3=0, B1*x+B2*y+B3=0. Решив эту систему уравнений, найдя коээфициенты и прибавив первые 2 уравнения к тертьему, вы получите уравнение вида

C4*k*k+D4=0

Элементарно решив его, вы найдете k. Подставив его в 2 предыдущих уравнения вы получите 2 уравнения вида:

A4*ss+B4*cs + D4 = 0

Это тригонометрическое уравнение можно решить, дописав множитель cc+ss к D4, получив уравнение вида:

(A4+D4)*ss+B5*cs+D4*cc = 0.

Теперь осталось поделить обе части на с^2 и решить квадратное уровнение для tan(). Еще, правда, надо рассмотреть подходит ли c=0,s=1 (s=-1 рассматривать не надо, Ведь без разницы, в какую сторону вращать на 90 градусов - все равно ось сжатия будет одна и та же).

Теперь зная тангенс найдите косинус и синус (школьные тригонометрические формулы, вроде c=sqrt(1/(1+t^2)).

Все, мы знаем k,c,s. Подставив их в формулы для x1',y1' мы узнаем радиус окрудности (расстояние до нуля). Пусть радиус будет r.

Теперь уравнение эллипса x'^2+y'^2 = r^2.

Подставляем преобразование:

x'=x*k*s+y*k*c, y' = x*s-y*c. Потом не забываем сделать замену x<-x-x0, y<-y-y0, чтобы верунть центр эллипса в заданное место.

Все эти замены надо аккуратно подставить и раскрыть скобки в уравнении x'^2+y'^2 = r^2 и получить ваши коээфициенты в уравнении Ax2+ Bxy + Cy2 + Dx + Ey = F. Потом поделите обе части на F.

Это решение невозможно расписать аналитически на бумаге до конца, потому что слишком много подставлений и этапов - будут просто монсрячные формулы. Но, в алгоритме, делая по шагам, вводя переменные и коэффициенты это не сложно сделать.

Edit:

Тут есть потенциальная проблема - надо решить систему линейных уравнений и 2 квадратных уравнения в процессе решения. Я не могу доказать, но верю всей душой, что, если эллипс существует, то все эти уравнения будут решатся в вещественных числах, без делений на 0 и квадратных корней из отрицательных чисел.
Ответ написан
Пригласить эксперта
Ваш ответ на вопрос

Войдите, чтобы написать ответ

Войти через центр авторизации
Похожие вопросы