مقالة في الهندسة

دائرة أبولونيوس

حين تكون النسبة بين بعدين ثابتة

نثبّت نقطتين \(A\) و\(B\)، ونبحث عن كلّ النقاط \(P\) التي يكون بعدها عن \(A\) ضعفَ بعدها عن \(B\). أين تقع هذه النقاط؟ الجواب غير متوقَّع: إنّها ترسم دائرة كاملة. وهذا صحيح لكلّ نسبة ثابتة — باستثناء النسبة 1 وحدها.

نعرف جيّدًا ماذا يحدث عندما يكون البعدان متساويين: النقاط المتساوية البعد عن \(A\) وعن \(B\) تقع على المنصّف العموديّ للقطعة \(AB\) — مستقيم. ماذا لو طلبنا أن يكون أحد البعدين ضعف الآخر، أو ثلاثة أمثاله؟ من الطبيعيّ أن نتوقّع منحنيًا معقّدًا. لكنّ أبولونيوس اكتشف قبل أكثر من ألفين ومئتي سنة أنّ الجواب بسيط على نحو مدهش: دائرة، يمكن إيجاد مركزها ونصف قطرها بالمسطرة والفرجار.

المبرهنة

دائرة أبولونيوس

لتكن \(A\) و\(B\) نقطتين مختلفتين، و\(k\) عددًا موجبًا لا يساوي 1. مجموعة كلّ النقاط \(P\) في المستوى التي تحقّق

\[\boxed{\;\frac{PA}{PB}=k\;}\]

هي دائرة. قطرها هو القطعة \(CD\)، حيث \(C\) النقطة على القطعة \(AB\) التي تحقّق \(\frac{CA}{CB}=k\)، و\(D\) النقطة على امتداد \(AB\) التي تحقّق \(\frac{DA}{DB}=k\). ونصف قطرها

\[r=\frac{k\cdot AB}{\lvert k^2-1\rvert}.\]
النسبة \(k=2\): لكلّ نقطة \(P\) على الدائرة، \(PA\) ضعف \(PB\). النقطتان \(C\) و\(D\) تقسمان \(AB\) بالنسبة نفسها من الداخل ومن الخارج، وهما طرفا قطر.
ملاحظة: إذا كانت \(k>1\) فالنقطة \(P\) أقرب إلى \(B\)، والدائرة تحيط بـ \(B\). وإذا كانت \(k<1\) فالدائرة تحيط بـ \(A\). وعندما تقترب \(k\) من 1 تكبر الدائرة أكثر فأكثر، وفي النهاية «تنفتح» إلى المنصّف العموديّ — وهو الحالة \(k=1\) التي استثنيناها.

جرّبوا بأنفسكم

اسحبوا \(P\): الدائرة المرسومة هي كلّ النقاط التي لها النسبة نفسها \(\frac{PA}{PB}\) كالنقطة \(P\). اسحبوا \(A\) و\(B\) أيضًا، وحاولوا أن تجعلوا الدائرة تنفتح إلى مستقيم. لاحظوا الزاوية \(\angle CPD\).

–\(PA\)
–\(PB\)
–\(k=\frac{PA}{PB}\)
–\(\angle CPD\)

لمحة تاريخية

أبولونيوس البرغاويّ (أواخر القرن الثالث قبل الميلاد) معروف أساسًا بكتابه «المخروطات». لكنّه كتب أيضًا كتبًا أصغر ضاعت أصولها، منها كتاب «المحلّات المستوية» — أي مجموعات النقاط التي تقع على مستقيم أو على دائرة. من هذا الكتاب جاءت المبرهنة التي نتناولها هنا.

كيف نعرف ذلك إذا كان الكتاب قد ضاع؟ بفضل بابوس الإسكندرانيّ، الذي عاش في القرن الرابع الميلاديّ وكتب «المجموعة الرياضية»؛ في جزئها السابع لخّص كتب أبولونيوس الضائعة وذكر الادّعاءات الواردة فيها. وفي القرن السابع عشر حاول بيير دي فيرما — المشهور بنظرية الأعداد — أن يعيد بناء كتاب «المحلّات المستوية» كاملًا اعتمادًا على هذا التلخيص.

انتبهوا إلى الاسم: «مسألة أبولونيوس» شيء آخر — إيجاد دائرة تمسّ ثلاث دوائر معطاة — من كتاب ضائع آخر له.

برهان أوّل: بالإحداثيّات

هذا البرهان يعطي الاتجاهين معًا: كلّ نقطة تحقّق الشرط تقع على الدائرة، وكلّ نقطة على الدائرة تحقّق الشرط. نرمز \(d=AB\)، ونضع \(A(0,0)\) و\(B(d,0)\)، ولتكن \(P(x,y)\).

  1. نتخلّص من الجذور

    الأبعاد موجبة، لذا الشرط \(PA=k\cdot PB\) يكافئ \(PA^2=k^2\,PB^2\):

    \[x^2+y^2=k^2\big[(x-d)^2+y^2\big].\]
  2. نرتّب

    نفكّ الأقواس وننقل كلّ شيء إلى طرف واحد، ثم نقسم على \(k^2-1\ne0\) (هنا نحتاج إلى \(k\ne1\)!):

    \[x^2+y^2-\frac{2k^2d}{k^2-1}\,x+\frac{k^2d^2}{k^2-1}=0.\]
  3. نكمل إلى مربّع

    نرمز \(x_0=\frac{k^2d}{k^2-1}\). بإكمال المربّع:

    \[(x-x_0)^2+y^2=x_0^2-\frac{k^2d^2}{k^2-1}=\frac{k^4d^2-k^2d^2(k^2-1)}{(k^2-1)^2}=\frac{k^2d^2}{(k^2-1)^2}.\]

    هذه معادلة دائرة مركزها \(O(x_0,0)\) على المستقيم \(AB\)، ونصف قطرها \(r=\frac{kd}{\lvert k^2-1\rvert}\). وبما أنّ كلّ خطوة كانت تكافؤًا، فالدائرة هي بالضبط مجموعة النقاط المطلوبة. \(\blacksquare\)

  4. أين \(C\) و\(D\)؟

    تقطع الدائرة محور \(x\) في النقطتين \(x_0\pm r\). نحسب (لـ \(k>1\)):

    \[x_0-r=\frac{k^2d-kd}{k^2-1}=\frac{kd}{k+1},\qquad x_0+r=\frac{k^2d+kd}{k^2-1}=\frac{kd}{k-1}.\]

    النقطة الأولى تقسم \(AB\) من الداخل بنسبة \(k\) (بعدها عن \(A\) هو \(\frac{k}{k+1}d\) وعن \(B\) هو \(\frac{1}{k+1}d\))، والثانية تقسمها من الخارج بالنسبة نفسها. هاتان هما \(C\) و\(D\).

برهان ثانٍ: منصّفا الزاوية

هذا البرهان يفسّر «لماذا» تظهر دائرة. لتكن \(P\) نقطة تحقّق \(\frac{PA}{PB}=k\) ولا تقع على المستقيم \(AB\).

\(PC\) ينصّف الزاوية \(\angle APB\)، و\(PD\) ينصّف الزاوية الخارجية عند \(P\). منصّفا زاويتين متجاورتين متكاملتين متعامدان.
  1. منصّف داخليّ

    في المثلث \(APB\): \(\frac{CA}{CB}=k=\frac{PA}{PB}\). وفق عكس مبرهنة منصّف الزاوية، القطعة \(PC\) تنصّف الزاوية \(\angle APB\).

  2. منصّف خارجيّ

    وبالطريقة نفسها \(\frac{DA}{DB}=k=\frac{PA}{PB}\)، ووفق عكس مبرهنة المنصّف الخارجيّ، \(PD\) ينصّف الزاوية الخارجية عند \(P\).

  3. زاوية قائمة

    الزاوية \(\angle APB\) والزاوية الخارجية المجاورة لها مجموعهما \(180^\circ\)، لذا مجموع نصفيهما \(90^\circ\): \(\angle CPD=90^\circ\). والنقطة التي ترى القطعة \(CD\) بزاوية قائمة تقع على الدائرة التي قطرها \(CD\) (عكس مبرهنة طاليس). \(\blacksquare\)

وهذا ما رأيتموه في المختبر: مهما حرّكتم \(P\)، الزاوية \(\angle CPD\) تبقى \(90^\circ\).

عائلة من الدوائر

لكلّ قيمة \(k\) دائرة خاصّة بها. الدوائر التي فيها \(k>1\) تحيط بـ \(B\)، وتصغر كلّما كبرت \(k\) وتقترب من \(B\). والدوائر التي فيها \(k<1\) صور مرآتيّة لها بالنسبة إلى المنصّف العموديّ (لأنّ تبديل \(A\) و\(B\) يحوّل \(k\) إلى \(\frac1k\)). ولا تتقاطع دائرتان من العائلة أبدًا — فكلّ نقطة في المستوى لها نسبة واحدة فقط.

دوائر أبولونيوس لـ \(k=1.6,\ 2.2,\ 3.5\) (حول \(B\)) ولمقلوباتها (حول \(A\)). المنصّف العموديّ هو الحالة \(k=1\).
نتيجة صغيرة. من الحسابات أعلاه: \(OA=x_0=\frac{k^2d}{k^2-1}\) و\(OB=x_0-d=\frac{d}{k^2-1}\)، لذا \[OA\cdot OB=\frac{k^2d^2}{(k^2-1)^2}=r^2.\] حاصل ضرب بعدَي \(A\) و\(B\) عن المركز يساوي مربّع نصف القطر، في كلّ دوائر العائلة. (يقال إنّ \(A\) و\(B\) «نقطتان متعاكستان» بالنسبة إلى الدائرة.) في المثال العدديّ أدناه: \(8\cdot2=16=4^2\).

مثال عددي

\(A(0,0)\) و\(B(6,0)\). أوجدوا مجموعة النقاط \(P\) التي تحقّق \(PA=2\,PB\).

الحلّ. هنا \(d=6\) و\(k=2\). وفق الصيغ:

\[x_0=\frac{4\cdot6}{3}=8,\qquad r=\frac{2\cdot6}{3}=4.\]

إذن الدائرة \((x-8)^2+y^2=16\). وطرفا القطر: \(C(4,0)\) — وبالفعل \(CA=4=2\cdot CB\) — و\(D(12,0)\) — وبالفعل \(DA=12=2\cdot DB\). وللتحقّق من نقطة ليست على المحور: \(P(8,4)\) تحقّق \(PA=\sqrt{80}=4\sqrt5\) و\(PB=\sqrt{20}=2\sqrt5\)، والنسبة 2 بالضبط. ✓

وماذا عن \(PA=\frac12PB\)؟ نبدّل دورَي \(A\) و\(B\)، فنحصل على الصورة المرآتيّة بالنسبة إلى المستقيم \(x=3\): الدائرة \((x+2)^2+y^2=16\).

تمرين للقرّاء: أكبر مساحة

تمرين

في المثلث \(PAB\) معطى \(AB=6\) و\(PA=2\,PB\). ما أكبر مساحة ممكنة لهذا المثلث؟ وما طولا الضلعين \(PA\) و\(PB\) عندها؟

كلّ النقاط \(P\) الممكنة تقع على دائرة أبولونيوس. ارتفاع المثلث هو بعد \(P\) عن المستقيم \(AB\).
تلميح

القاعدة \(AB\) ثابتة، لذا المساحة تكبر بقدر ما يكبر الارتفاع. على أيّ منحنى تقع \(P\)؟ وما أكبر بعد ممكن لنقطة على هذا المنحنى عن المستقيم \(AB\)؟

حلّ كامل (حاولوا وحدكم أولًا!)

وفق المثال العدديّ، النقطة \(P\) تقع على دائرة مركزها \(O\) على المستقيم \(AB\)، ونصف قطرها \(r=4\). بعد أيّ نقطة على الدائرة عن المستقيم \(AB\) (الذي يمرّ بالمركز) لا يتجاوز نصف القطر، ويساويه فقط في «قمّة» الدائرة أو «قاعها»، حيث \(PO\perp AB\). لذا

\[S_{PAB}=\tfrac12\cdot AB\cdot h\le\tfrac12\cdot6\cdot4=12.\]

أكبر مساحة هي 12، وتتحقّق عندما \(P=(8,\pm4)\) في الإحداثيّات السابقة. عندها \(PA=\sqrt{8^2+4^2}=4\sqrt5\approx8.94\) و\(PB=\sqrt{2^2+4^2}=2\sqrt5\approx4.47\). \(\blacksquare\)

للتحقّق بطريقة مستقلّة، صيغة هيرون مع الأضلاع \(6,\ 4\sqrt5,\ 2\sqrt5\) تعطي المساحة 12 فعلًا. لكن جرّبوا أن تحلّوا المسألة بصيغة هيرون من البداية — كدالّة في \(PB\) — وستقدّرون كم يوفّر علينا التفكير الهندسيّ!

المراجع

  • T. L. Heath, A History of Greek Mathematics, vol. II, Oxford, 1921 (Apollonius, Plane Loci).
  • A. Jones (ed. & trans.), Pappus of Alexandria: Book 7 of the Collection, Springer, 1986.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967.
الأستاذ خالد خطيب · دائرة أبولونيوس

מאמר בגאומטריה

מעגל אפולוניוס

כשהיחס בין שני מרחקים קבוע

נקבע שתי נקודות \(A\) ו־\(B\), ונחפש את כל הנקודות \(P\) שמרחקן מ־\(A\) כפול ממרחקן מ־\(B\). היכן נמצאות הנקודות האלה? התשובה מפתיעה: הן משרטטות מעגל שלם. וזה נכון לכל יחס קבוע — חוץ מהיחס 1 בלבד.

אנחנו יודעים היטב מה קורה כשהמרחקים שווים: הנקודות שמרחקן מ־\(A\) ומ־\(B\) שווה נמצאות על האנך האמצעי לקטע \(AB\) — ישר. ומה אם נדרוש שמרחק אחד יהיה כפול מהשני, או פי שלושה? טבעי לצפות לעקומה מסובכת. אבל אפולוניוס גילה לפני יותר מאלפיים ומאתיים שנה שהתשובה פשוטה להפליא: מעגל, שאת מרכזו ואת רדיוסו אפשר למצוא בסרגל ובמחוגה.

המשפט

מעגל אפולוניוס

יהיו \(A\) ו־\(B\) שתי נקודות שונות, ו־\(k\) מספר חיובי השונה מ־1. קבוצת כל הנקודות \(P\) במישור המקיימות

\[\boxed{\;\frac{PA}{PB}=k\;}\]

היא מעגל. הקוטר שלו הוא הקטע \(CD\), כאשר \(C\) היא הנקודה על הקטע \(AB\) המקיימת \(\frac{CA}{CB}=k\), ו־\(D\) היא הנקודה על המשך \(AB\) המקיימת \(\frac{DA}{DB}=k\). ורדיוסו

\[r=\frac{k\cdot AB}{\lvert k^2-1\rvert}.\]
היחס \(k=2\): לכל נקודה \(P\) על המעגל, \(PA\) כפול מ־\(PB\). הנקודות \(C\) ו־\(D\) מחלקות את \(AB\) באותו יחס חלוקה פנימית וחלוקה חיצונית, והן קצות קוטר.
הערה: אם \(k>1\), הנקודה \(P\) קרובה יותר ל־\(B\), והמעגל מקיף את \(B\). אם \(k<1\), המעגל מקיף את \(A\). כש־\(k\) מתקרב ל־1 המעגל גדל עוד ועוד, ולבסוף "נפתח" לאנך האמצעי — וזה המקרה \(k=1\) שהוצאנו מן הכלל.

נסו בעצמכם

גררו את \(P\): המעגל המשורטט הוא כל הנקודות שיש להן אותו יחס \(\frac{PA}{PB}\) כמו לנקודה \(P\). גררו גם את \(A\) ואת \(B\), ונסו לגרום למעגל להיפתח לישר. שימו לב לזווית \(\angle CPD\).

–\(PA\)
–\(PB\)
–\(k=\frac{PA}{PB}\)
–\(\angle CPD\)

קצת היסטוריה

אפולוניוס מפרגה (סוף המאה השלישית לפני הספירה) ידוע בעיקר בזכות חיבורו "חתכי החרוט". אבל הוא כתב גם ספרים קטנים יותר שהמקור שלהם אבד, ובהם הספר "מקומות מישוריים" — כלומר קבוצות נקודות הנמצאות על ישר או על מעגל. מן הספר הזה בא המשפט שבו אנו עוסקים כאן.

איך אנו יודעים זאת, אם הספר אבד? בזכות פאפוס מאלכסנדריה, שחי במאה הרביעית לספירה וכתב את "האוסף המתמטי"; בספר השביעי שלו סיכם את ספריו האבודים של אפולוניוס והזכיר את הטענות שבהם. במאה השבע־עשרה ניסה פייר דה פרמה — המפורסם בזכות תורת המספרים — לשחזר את הספר "מקומות מישוריים" כולו על סמך הסיכום הזה.

שימו לב לשם: "בעיית אפולוניוס" היא דבר אחר — מציאת מעגל המשיק לשלושה מעגלים נתונים — מתוך ספר אבוד אחר שלו.

הוכחה ראשונה: בקואורדינטות

ההוכחה הזאת נותנת את שני הכיוונים יחד: כל נקודה המקיימת את התנאי נמצאת על המעגל, וכל נקודה על המעגל מקיימת את התנאי. נסמן \(d=AB\), נשים \(A(0,0)\) ו־\(B(d,0)\), ותהי \(P(x,y)\).

  1. נפטרים מהשורשים

    המרחקים חיוביים, ולכן התנאי \(PA=k\cdot PB\) שקול ל־\(PA^2=k^2\,PB^2\):

    \[x^2+y^2=k^2\big[(x-d)^2+y^2\big].\]
  2. מסדרים

    פותחים סוגריים ומעבירים הכול לאגף אחד, ואז מחלקים ב־\(k^2-1\ne0\) (כאן אנו צריכים \(k\ne1\)!):

    \[x^2+y^2-\frac{2k^2d}{k^2-1}\,x+\frac{k^2d^2}{k^2-1}=0.\]
  3. משלימים לריבוע

    נסמן \(x_0=\frac{k^2d}{k^2-1}\). בהשלמה לריבוע:

    \[(x-x_0)^2+y^2=x_0^2-\frac{k^2d^2}{k^2-1}=\frac{k^4d^2-k^2d^2(k^2-1)}{(k^2-1)^2}=\frac{k^2d^2}{(k^2-1)^2}.\]

    זוהי משוואת מעגל שמרכזו \(O(x_0,0)\) על הישר \(AB\), ורדיוסו \(r=\frac{kd}{\lvert k^2-1\rvert}\). מכיוון שכל צעד היה מעבר שקול, המעגל הוא בדיוק קבוצת הנקודות המבוקשת. \(\blacksquare\)

  4. היכן \(C\) ו־\(D\)?

    המעגל חותך את ציר \(x\) בנקודות \(x_0\pm r\). נחשב (עבור \(k>1\)):

    \[x_0-r=\frac{k^2d-kd}{k^2-1}=\frac{kd}{k+1},\qquad x_0+r=\frac{k^2d+kd}{k^2-1}=\frac{kd}{k-1}.\]

    הנקודה הראשונה מחלקת את \(AB\) חלוקה פנימית ביחס \(k\) (מרחקה מ־\(A\) הוא \(\frac{k}{k+1}d\) ומ־\(B\) הוא \(\frac{1}{k+1}d\)), והשנייה מחלקת אותו חלוקה חיצונית באותו יחס. אלה הן \(C\) ו־\(D\).

הוכחה שנייה: שני חוצי זווית

ההוכחה הזאת מסבירה "למה" מופיע מעגל. תהי \(P\) נקודה המקיימת \(\frac{PA}{PB}=k\) ואינה נמצאת על הישר \(AB\).

\(PC\) חוצה את הזווית \(\angle APB\), ו־\(PD\) חוצה את הזווית החיצונית ב־\(P\). חוצי שתי זוויות צמודות מאונכים זה לזה.
  1. חוצה זווית פנימי

    במשולש \(APB\): \(\frac{CA}{CB}=k=\frac{PA}{PB}\). לפי המשפט ההפוך למשפט חוצה הזווית, הקטע \(PC\) חוצה את הזווית \(\angle APB\).

  2. חוצה זווית חיצוני

    באותו אופן \(\frac{DA}{DB}=k=\frac{PA}{PB}\), ולפי המשפט ההפוך למשפט חוצה הזווית החיצונית, \(PD\) חוצה את הזווית החיצונית ב־\(P\).

  3. זווית ישרה

    סכום הזווית \(\angle APB\) והזווית החיצונית הצמודה לה הוא \(180^\circ\), ולכן סכום מחציותיהן \(90^\circ\): \(\angle CPD=90^\circ\). ונקודה שרואה את הקטע \(CD\) בזווית ישרה נמצאת על המעגל שקוטרו \(CD\) (המשפט ההפוך למשפט תאלס). \(\blacksquare\)

וזה מה שראיתם במעבדה: לא משנה לאן תזיזו את \(P\), הזווית \(\angle CPD\) נשארת \(90^\circ\).

משפחה של מעגלים

לכל ערך של \(k\) יש מעגל משלו. המעגלים שבהם \(k>1\) מקיפים את \(B\), וקטנים ומתקרבים ל־\(B\) ככל ש־\(k\) גדל. המעגלים שבהם \(k<1\) הם תמונות ראי שלהם ביחס לאנך האמצעי (כי החלפת \(A\) ו־\(B\) הופכת את \(k\) ל־\(\frac1k\)). ושני מעגלים מן המשפחה לעולם אינם נחתכים — לכל נקודה במישור יש יחס אחד בלבד.

מעגלי אפולוניוס עבור \(k=1.6,\ 2.2,\ 3.5\) (סביב \(B\)) ועבור ההופכיים שלהם (סביב \(A\)). האנך האמצעי הוא המקרה \(k=1\).
מסקנה קטנה. מן החישובים שלמעלה: \(OA=x_0=\frac{k^2d}{k^2-1}\) ו־\(OB=x_0-d=\frac{d}{k^2-1}\), לכן \[OA\cdot OB=\frac{k^2d^2}{(k^2-1)^2}=r^2.\] מכפלת מרחקי \(A\) ו־\(B\) מן המרכז שווה לריבוע הרדיוס, בכל מעגלי המשפחה. (אומרים ש־\(A\) ו־\(B\) הן "נקודות הפוכות" ביחס למעגל.) בדוגמה המספרית שלהלן: \(8\cdot2=16=4^2\).

דוגמה מספרית

\(A(0,0)\) ו־\(B(6,0)\). מצאו את קבוצת הנקודות \(P\) המקיימות \(PA=2\,PB\).

פתרון. כאן \(d=6\) ו־\(k=2\). לפי הנוסחאות:

\[x_0=\frac{4\cdot6}{3}=8,\qquad r=\frac{2\cdot6}{3}=4.\]

לכן המעגל הוא \((x-8)^2+y^2=16\). קצות הקוטר: \(C(4,0)\) — ואכן \(CA=4=2\cdot CB\) — ו־\(D(12,0)\) — ואכן \(DA=12=2\cdot DB\). ולבדיקה בנקודה שאינה על הציר: \(P(8,4)\) מקיימת \(PA=\sqrt{80}=4\sqrt5\) ו־\(PB=\sqrt{20}=2\sqrt5\), והיחס הוא 2 בדיוק. ✓

ומה לגבי \(PA=\frac12PB\)? מחליפים את תפקידי \(A\) ו־\(B\), ומקבלים את תמונת הראי ביחס לישר \(x=3\): המעגל \((x+2)^2+y^2=16\).

תרגיל לקוראים: השטח הגדול ביותר

תרגיל

במשולש \(PAB\) נתון \(AB=6\) ו־\(PA=2\,PB\). מהו השטח הגדול ביותר האפשרי של המשולש? ומה אורכי הצלעות \(PA\) ו־\(PB\) במקרה זה?

כל הנקודות \(P\) האפשריות נמצאות על מעגל אפולוניוס. גובה המשולש הוא מרחק \(P\) מן הישר \(AB\).
רמז

הבסיס \(AB\) קבוע, ולכן השטח גדל ככל שהגובה גדל. על איזו עקומה נמצאת \(P\)? ומהו המרחק הגדול ביותר האפשרי של נקודה על העקומה הזאת מן הישר \(AB\)?

פתרון מלא (נסו לבד קודם!)

לפי הדוגמה המספרית, הנקודה \(P\) נמצאת על מעגל שמרכזו \(O\) על הישר \(AB\) ורדיוסו \(r=4\). מרחקה של כל נקודה על המעגל מן הישר \(AB\) (העובר דרך המרכז) אינו עולה על הרדיוס, ושווה לו רק ב"פסגת" המעגל או ב"תחתיתו", שם \(PO\perp AB\). לכן

\[S_{PAB}=\tfrac12\cdot AB\cdot h\le\tfrac12\cdot6\cdot4=12.\]

השטח הגדול ביותר הוא 12, והוא מתקבל כאשר \(P=(8,\pm4)\) בקואורדינטות הקודמות. אז \(PA=\sqrt{8^2+4^2}=4\sqrt5\approx8.94\) ו־\(PB=\sqrt{2^2+4^2}=2\sqrt5\approx4.47\). \(\blacksquare\)

לבדיקה בדרך בלתי תלויה, נוסחת הרון עם הצלעות \(6,\ 4\sqrt5,\ 2\sqrt5\) אכן נותנת שטח 12. אבל נסו לפתור את הבעיה בנוסחת הרון מההתחלה — כפונקציה של \(PB\) — ותעריכו כמה החשיבה הגאומטרית חוסכת לנו!

מקורות

  • T. L. Heath, A History of Greek Mathematics, vol. II, Oxford, 1921 (Apollonius, Plane Loci).
  • A. Jones (ed. & trans.), Pappus of Alexandria: Book 7 of the Collection, Springer, 1986.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967.
חאלד חטיב · מעגל אפולוניוס

A geometry article

The Circle of Apollonius

When the ratio of two distances is fixed

Fix two points \(A\) and \(B\), and look for all the points \(P\) whose distance from \(A\) is twice their distance from \(B\). Where do these points lie? The answer is unexpected: they trace out a complete circle. And this is true for every fixed ratio — except the ratio 1 alone.

We know well what happens when the two distances are equal: the points equidistant from \(A\) and \(B\) lie on the perpendicular bisector of segment \(AB\) — a line. What if we ask for one distance to be twice the other, or three times? It would be natural to expect a complicated curve. But more than two thousand two hundred years ago Apollonius discovered that the answer is strikingly simple: a circle, whose centre and radius can be found with straightedge and compass.

The theorem

The circle of Apollonius

Let \(A\) and \(B\) be two distinct points and \(k\) a positive number other than 1. The set of all points \(P\) in the plane satisfying

\[\boxed{\;\frac{PA}{PB}=k\;}\]

is a circle. Its diameter is the segment \(CD\), where \(C\) is the point on segment \(AB\) with \(\frac{CA}{CB}=k\), and \(D\) is the point on the extension of \(AB\) with \(\frac{DA}{DB}=k\). Its radius is

\[r=\frac{k\cdot AB}{\lvert k^2-1\rvert}.\]
The ratio \(k=2\): for every point \(P\) on the circle, \(PA\) is twice \(PB\). The points \(C\) and \(D\) divide \(AB\) internally and externally in the same ratio, and they are the ends of a diameter.
Note: if \(k>1\), the point \(P\) is closer to \(B\) and the circle surrounds \(B\). If \(k<1\), the circle surrounds \(A\). As \(k\) approaches 1 the circle grows larger and larger, and in the end it “opens up” into the perpendicular bisector — the case \(k=1\) that we excluded.

Try it yourself

Drag \(P\): the circle drawn is the set of all points with the same ratio \(\frac{PA}{PB}\) as \(P\). Drag \(A\) and \(B\) as well, and try to make the circle open up into a line. Watch the angle \(\angle CPD\).

–\(PA\)
–\(PB\)
–\(k=\frac{PA}{PB}\)
–\(\angle CPD\)

A little history

Apollonius of Perga (late third century BC) is known chiefly for his Conics. But he also wrote smaller books whose originals are lost, among them Plane Loci — that is, sets of points lying on a line or on a circle. The theorem we discuss here comes from that book.

How do we know, if the book is lost? Thanks to Pappus of Alexandria, who lived in the fourth century AD and wrote the Mathematical Collection; in its seventh book he summarized Apollonius’s lost works and listed the propositions they contained. In the seventeenth century Pierre de Fermat — famous for number theory — tried to reconstruct the whole of Plane Loci from that summary.

Mind the name: “the problem of Apollonius” is something else — finding a circle tangent to three given circles — from another of his lost books.

A first proof: with coordinates

This proof gives both directions at once: every point satisfying the condition lies on the circle, and every point on the circle satisfies the condition. Write \(d=AB\), put \(A(0,0)\) and \(B(d,0)\), and let \(P(x,y)\).

  1. Get rid of the square roots

    Distances are positive, so the condition \(PA=k\cdot PB\) is equivalent to \(PA^2=k^2\,PB^2\):

    \[x^2+y^2=k^2\big[(x-d)^2+y^2\big].\]
  2. Rearrange

    Expand, bring everything to one side, and divide by \(k^2-1\ne0\) (this is where we need \(k\ne1\)!):

    \[x^2+y^2-\frac{2k^2d}{k^2-1}\,x+\frac{k^2d^2}{k^2-1}=0.\]
  3. Complete the square

    Write \(x_0=\frac{k^2d}{k^2-1}\). Completing the square:

    \[(x-x_0)^2+y^2=x_0^2-\frac{k^2d^2}{k^2-1}=\frac{k^4d^2-k^2d^2(k^2-1)}{(k^2-1)^2}=\frac{k^2d^2}{(k^2-1)^2}.\]

    This is the equation of a circle with centre \(O(x_0,0)\) on line \(AB\) and radius \(r=\frac{kd}{\lvert k^2-1\rvert}\). Since every step was an equivalence, the circle is exactly the required set of points. \(\blacksquare\)

  4. Where are \(C\) and \(D\)?

    The circle meets the \(x\)-axis at \(x_0\pm r\). We compute (for \(k>1\)):

    \[x_0-r=\frac{k^2d-kd}{k^2-1}=\frac{kd}{k+1},\qquad x_0+r=\frac{k^2d+kd}{k^2-1}=\frac{kd}{k-1}.\]

    The first point divides \(AB\) internally in the ratio \(k\) (its distance from \(A\) is \(\frac{k}{k+1}d\) and from \(B\) is \(\frac{1}{k+1}d\)), and the second divides it externally in the same ratio. These are \(C\) and \(D\).

A second proof: two angle bisectors

This proof explains “why” a circle appears. Let \(P\) be a point with \(\frac{PA}{PB}=k\) that is not on line \(AB\).

\(PC\) bisects angle \(\angle APB\), and \(PD\) bisects the exterior angle at \(P\). The bisectors of two adjacent supplementary angles are perpendicular.
  1. The internal bisector

    In triangle \(APB\): \(\frac{CA}{CB}=k=\frac{PA}{PB}\). By the converse of the angle bisector theorem, segment \(PC\) bisects angle \(\angle APB\).

  2. The external bisector

    In the same way \(\frac{DA}{DB}=k=\frac{PA}{PB}\), and by the converse of the external bisector theorem, \(PD\) bisects the exterior angle at \(P\).

  3. A right angle

    Angle \(\angle APB\) and the exterior angle next to it add up to \(180^\circ\), so their halves add up to \(90^\circ\): \(\angle CPD=90^\circ\). And a point that sees segment \(CD\) at a right angle lies on the circle with diameter \(CD\) (the converse of Thales’ theorem). \(\blacksquare\)

That is what you saw in the lab: however you move \(P\), the angle \(\angle CPD\) stays at \(90^\circ\).

A family of circles

Each value of \(k\) has its own circle. The circles with \(k>1\) surround \(B\), shrinking towards \(B\) as \(k\) grows. The circles with \(k<1\) are their mirror images in the perpendicular bisector (since swapping \(A\) and \(B\) turns \(k\) into \(\frac1k\)). And no two circles of the family ever meet — each point of the plane has just one ratio.

Apollonius circles for \(k=1.6,\ 2.2,\ 3.5\) (around \(B\)) and for their reciprocals (around \(A\)). The perpendicular bisector is the case \(k=1\).
A small corollary. From the computations above: \(OA=x_0=\frac{k^2d}{k^2-1}\) and \(OB=x_0-d=\frac{d}{k^2-1}\), so \[OA\cdot OB=\frac{k^2d^2}{(k^2-1)^2}=r^2.\] The product of the distances of \(A\) and \(B\) from the centre equals the square of the radius, for every circle of the family. (We say that \(A\) and \(B\) are “inverse points” with respect to the circle.) In the numerical example below: \(8\cdot2=16=4^2\).

A numerical example

\(A(0,0)\) and \(B(6,0)\). Find the set of points \(P\) with \(PA=2\,PB\).

Solution. Here \(d=6\) and \(k=2\). By the formulas:

\[x_0=\frac{4\cdot6}{3}=8,\qquad r=\frac{2\cdot6}{3}=4.\]

So the circle is \((x-8)^2+y^2=16\). The ends of the diameter: \(C(4,0)\) — indeed \(CA=4=2\cdot CB\) — and \(D(12,0)\) — indeed \(DA=12=2\cdot DB\). As a check with a point off the axis: \(P(8,4)\) has \(PA=\sqrt{80}=4\sqrt5\) and \(PB=\sqrt{20}=2\sqrt5\), and the ratio is exactly 2. ✓

And what about \(PA=\frac12PB\)? Swap the roles of \(A\) and \(B\), and we get the mirror image in the line \(x=3\): the circle \((x+2)^2+y^2=16\).

A problem for the reader: the largest area

Exercise

In triangle \(PAB\) we are given \(AB=6\) and \(PA=2\,PB\). What is the largest possible area of the triangle? And what are the lengths of \(PA\) and \(PB\) then?

All possible points \(P\) lie on the Apollonius circle. The height of the triangle is the distance from \(P\) to line \(AB\).
Hint

The base \(AB\) is fixed, so the area grows as the height grows. On what curve does \(P\) lie? And what is the greatest possible distance from a point on that curve to line \(AB\)?

Full solution (try it yourself first!)

By the numerical example, the point \(P\) lies on a circle with centre \(O\) on line \(AB\) and radius \(r=4\). The distance from any point of the circle to line \(AB\) (which passes through the centre) is at most the radius, with equality only at the “top” or “bottom” of the circle, where \(PO\perp AB\). Therefore

\[S_{PAB}=\tfrac12\cdot AB\cdot h\le\tfrac12\cdot6\cdot4=12.\]

The largest area is 12, attained when \(P=(8,\pm4)\) in the coordinates above. Then \(PA=\sqrt{8^2+4^2}=4\sqrt5\approx8.94\) and \(PB=\sqrt{2^2+4^2}=2\sqrt5\approx4.47\). \(\blacksquare\)

As an independent check, Heron’s formula with sides \(6,\ 4\sqrt5,\ 2\sqrt5\) does give area 12. But try solving the problem with Heron’s formula from the start — as a function of \(PB\) — and you will appreciate how much the geometric argument saves us!

References

  • T. L. Heath, A History of Greek Mathematics, vol. II, Oxford, 1921 (Apollonius, Plane Loci).
  • A. Jones (ed. & trans.), Pappus of Alexandria: Book 7 of the Collection, Springer, 1986.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967.
Khaled Khatib · The Circle of Apollonius

→ العودة إلى كلّ المقالات