引理 xv
如果由椭圆或双曲线的两个焦点s,h,两直线sv,hv向任意第三个点v倾斜,它们中的一条直线hv等于图形的主轴,亦即焦点所位于的轴;另一条[直线]sv被垂直落在它上面的tr平分于t;那条垂线tr 与圆锥截线在某处相切;并且反之亦然,如果相切,则hv 等于图形的主轴。
因垂线tr截hv,若需要就延长之,于r;并连结sr。由于ts,tv相等,直线sr,vr且角trs,trv也相等。因此点r在圆锥截线上,而垂线tr与此圆锥截线相切;且反之亦然。此即所证 。
命题xviii 问题x
给定一个焦点和主轴,画出椭圆形或双曲线形轨道,它通过给定的点并与位置给定的直线相切。
设s为图形的公共焦点,ab为任意轨道的主轴的长度;p为一点,轨道应经过它;且tr为一直线,轨道应与它相切。以p为中心,若轨道为椭圆时,以ab-sp为间隔;若轨道为双曲线时,以ab+sp为间隔,画圆hg。往切线tr上落下垂线st,且它被延长至v,使得tv等于st;又以v为中心,ab为间隔画圆fh。由这一方法,或者两个点p,p,或者两条切线tr,tr,或者点p和切线tr被给定,两个圆可画出。设它们的公共部分是h,且由焦点s,h,那个给定的轴,轨道被画出。我说图已做出。因所画轨道(由在椭圆时ph+sp,且在双曲线时ph-sp,等于轴)经过点p,且(由上面的引理)与直线tr相切。由同样的论证,此轨道或者经过两点p,p,或者与两直线tr,tr相切。此即所作 。
命题xix 问题xi
对于给定的一个焦点,画出抛物线形轨道,它经过给定的点并与位置给定的直线相切。
设s为焦点,p为一个点,且tr为所画轨道的切线。以中心p,间隔ps画圆fg。由焦点往切线上落下垂线st,并延长它至v,使得tv等于st。按同样的方式画另一圆fg,如果另一个点p被给定;或者求得另一个点v,如果另一切线tr被给定;然后引直线if,它与两圆fg,fg相切,如果两个点p,p被给定;它经过两点v,v,如果两条切线tr,tr被给定;它与圆fg相切并经过点v,如果p和切线tr被给定。往fi上落下垂线si,且它平分于k;则由轴sk,主顶点k,抛物线被画出。我说图已做出。因为抛物线,由于sk和ik,sp和fp相等,它经过点p;且(由引理xiv的系理3)因st和tv相等及str为直角,它与直线tr相切。此即所作 。
命题xx 问题xii
对于给定的一个焦点,画出类型给定的任意轨道,它通过给定的点,且与位置给定的直线相切。
情形1 给定焦点s,设要画的轨道abc经过两点b,c。因为轨道的种类已给定,则主轴比焦点之间距离的比亦被给定。按照那个比取kb比bs,以及lc比cs。以中心b,c,间隔bk,cl画两个圆,且在直线lk上,它切这些圆于k和l,落下垂线sg,同一垂线在a和a被截,使得ga比as和ga比as如同kb比bs,并由轴aa,顶点a,a,轨道被画出。我说图已做出。因为若h为所画图形的另一个焦点,又由于ga比as如同ga比as,由分比ga-ga或aa比as-as或sh按照相同的比,且因此按照要画的图形的主轴比其焦点之间的距离所具有的比;所以画出的图形与要画的图形的种类相同。又因kb比bs和lc比cs按照相同的比,这个图形经过点b,c,由《圆锥截线 》这是显然的。
情形2 给定焦点s,要画出一条轨道,它与两直线tr,tr在某处相切。由焦点向切线上落下垂线st,st,并延长它们至v,v,使得tv,tv[分别]等于ts,ts,vv平分于o,并竖立无限的垂线oh,无限延长的直线vs在k和k被截,使得vk比ks和vk比ks如同所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离。在直径kk上画圆截oh于h;并由焦点s,h,等于vh的主轴,轨道被画出。我说图已做出。因为平分kk于x,并连结hx,hs,hv,hv。因为vk比ks如同vk比ks;并由合比,如同vk+vk比ks+ks;再由分比,如同vk-vk比ks-ks,亦即,如同2vx比2kx和2kx比2sx,因此,如同vx比hx和hx比sx,于是三角形vxh和hxs相似,且所以vh比sh如同vx比xh,因此,如同vk比ks。所以画出的轨道的主轴vh比其焦点之间的距离sh的比,与所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离所具有的比是相同的,因此是相同的种类。此外,由于vh,vh等于主轴,且vs,vs被直线tr,tr垂直平分,显然(由引理xv)那些直线与所画出的轨道相切。此即所作 。
情形3 给定焦点s,要画出一条轨道,它与直线tr在给定的点r相切。在直线tr上落下垂线st,延长它至v,使得tv等于st。连接vr,无限延长的直线vs在k和k被截,使得vk比sk和vk比sk如同所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离;且在直径kk上画圆截延长的直线vr于h,并由焦点s,h,等于直线vh的主轴,轨道被画出。我说图已做出。因vh比sh如同vk比sk,因此如同所要画的轨道的主轴比其焦点之间的距离,由第二种情形的证明,这是显然的,所以所画出的轨道与所要画的轨道的种类是相同的,由于角vrs被直线tr平分,它与轨道在点r相切,由《圆锥截线 》这是显然的。此即所作 。
情形4 对于焦点s,现在要画出轨道apb,它与直线tr相切,且经过切线外任意给定的点p,相似于以主轴ab和焦点s,h所画的图形apb。在切线tr上落下垂线st,并延长它至v,使得tv等于st。再作角hsq,shq等于角vsp,svp;且以q为中心,以比ab如同sp比vs的间隔画圆,截图形apb于p。连结sp并引sh,它比sh如同sp比sp,构作角psh等于角psh以及角vsh等于角psq。此后,由焦点s,h,和等于距离vh的主轴ab,圆锥截线被画出。我说图已做出。因为,如果引sv,它比sp如同sh比sq,构作角vsp等于角hsq以及角vsh等于角psq,三角形svh,spq是相似的,且所以vh比pq如同sh比sq,亦即(因三角形vsp与bsq相似)如同vs比sp或ab比pq。所以vh和ab相等。此外,由于三角形vsh与vsh相似,vh比sh如同vh比sh,亦即,现在所画出的圆锥截线的轴比其焦点之间的间隔,如同轴ab比焦点之间的间隔sh;所以现在画出的图形与图形apb相似。然而,这一图形经过点p,因为三角形psh相似于三角形psh;且因vh等于图形的轴,又vs被直线tr垂直平分,此图形与直线tr相切。此即所作 。
引理 xvi
从三个给定的点向第四个未被给定的点引三条斜直线,它们的差或者被给定或者为零。
情形1 令那些给定的点为a,b,c,且第四点为z,它是应当求的;因为直线az,bz的差给定,点z位于一双曲线上,其焦点为a和b,且其主轴是那个给定的差。设那个轴为mn。取pm比ma如同mn比ab,并竖立pr垂直于ab,又落下zr垂直于pr;由这条双曲线的性质,zr比az如同mn比ab。由类似的讨论,点z位于另一双曲线上,其焦点为a,c,且其主轴为az和cz之间的差,可以引qs,它自身与ac垂直,如果由这条双曲线上的任意点z往qs上落下成直角的线zs,这一垂线zs比az如同az和cz之间的差比ac。所以zr和zs比az的比被给定,并且由此zr和zs的相互之比被给定;且因此,如果直线rp,sq交于t,再引tz和ta,则图形trzs的种类被给定,又直线tz的位置被给定,点z位于其上某处。直线ta,以及角atz亦被给定;又因为az和tz比zs的比被给定,它们的相互之比亦被给定;因此三角形atz被给定,它的一个顶点是点z。此即所求 。
情形2 如果三条线中的两条,设为az和bz,是相等的,因此引直线tz,使得它平分直线ab;此后如上寻求三角形atz。此即所求 。
情形3 如果所有三条线相等,点z位于过点a,b,c的圆的中心。此即所求。
这个引理中的问题亦在由维埃特编订的阿波罗尼奥斯的书《论切触 》中被解决。
命题xxi 问题xiii
对于给定的一个焦点画一条轨道,它通过给定的点并与位置给定的直线相切。
设焦点s,点p和切线tr被给定,需求另一焦点h。往切线上落下垂线st,并延长它至y,使得ty等于st,则yh等于主轴。连结sp,hp,且sp是hp和主轴之间的差。按照这种方式,如果给定更多的切线tr,或更多的点p,总能找到由所说的点y或p到焦点所引的同样数目的线yh或ph,它们或者等于轴,或者它们以给定的长度sp不同于轴;于是它们或者相等,或者有给定的差,且由此,由上面的引理,另外一个焦点h被给定。同时拥有了两个焦点和轴的长度(它或者为yh,或者,如果轨道为椭圆,为ph+sp;若不然,轨道为双曲线,为ph-sp)也就有了轨道。此即所求 。
解释
当轨道为双曲线时,在这个轨道的名下我没有包括相对的双曲线[分支]。因为物体在自己的持续运动时不可能迁移到相对的双曲线[分支]上。
在给定三个点的情形可如此便捷地求解。设b,c,d为给定的点。连结bc,cd,并延长至e,f,使得eb比ec如同sb比sc,且fc比fd如同sc比sd。在画出的ef及其延长上落下成直角的直线sg,bh,又在无限延长的gs上取ga比as和ga比as如同hb比bs;则a为轨道的顶点,且aa为其主轴:轨道,依照ga大于、等于、或者小于as,而为椭圆,抛物线或者双曲线;点a在第一种情形与点a落在线gf的同一侧;在第二种情形它远离以至无穷;在第三种情形它落在线gf的另一侧。因为如果向gf上落下垂线ci,dk;则ic比hb如同ec比eb,这就是,如同sc比sb;又由更比,ic比sc如同hb比sb或者如同ga比sa。且由类似的论证可证kd比sd是按照相同的比。所以点b,c,d在关于焦点s如此画出的圆锥截线上,使得由焦点s到截线上每个点所引的直线比由相同的点落到直线gf上的垂线按照那个给定的比。
最杰出的几何学家拉伊尔 ,在他的《圆锥截线 》卷viii,命题xxv中给出此问题的解法,方法上与此没有大的差异。