Э́ллипс ( — «не­до­ста­ток, вы­па­де­ние, опу­ще­ние») — замкнутая плоская кривая, исторически определённая как одно из конических сечений (наряду с параболой и гиперболой). Название эллипсу дал Аполлоний Пергский в своей «Конике».

В современной геометрии эллипс чаще определяется на плоскости — как геометрическое место точек, для ко­то­рых сум­ма рас­стоя­ний до двух фик­си­ро­ван­ных то­чек и (фо­ку­сов эллипса) есть ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная (см. рис.). Се­ре­ди­на от­рез­ка на­зы­ва­ет­ся цен­тром эл­лип­са«Эллипс» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг..

Окружность является частным случаем эллипса, у неё оба фокуса слиты в один.

Эллипсы находят широкое применение в физике, астрономии и технике. Например, орбита каждой планеты Солнечной системы представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце (точнее, фокусом является барицентр пары Солнце-планета). То же самое верно для спутников планет и всех других систем двух астрономических тел. Формы планет и звёзд часто хорошо описываются эллипсоидами. Эллипс также является простейшей фигурой Лиссажу, образованной, когда горизонтальное и вертикальное движения являются синусоидами с одинаковой частотой: аналогичный эффект приводит к эллиптической поляризации света в оптике.

Другие определения Эллипс также можно определить как: фигуру, которая получается из окружности после аффинного преобразования; ортогональную проекцию окружности на плоскость; пересечение плоскости и прямого кругового цилиндра.

Связанные определения и стандартные обозначения

Проходящий через фокусы эллипса отрезок, концы которого лежат на эллипсе, называется большой осью данного эллипса. Длина большой оси далее обозначается Отрезок, перпендикулярный большой оси эллипса, проходящий через центр и концы которого лежат на эллипсе, называется малой осью эллипса. Длина малой оси далее обозначается Отрезки, проведённые из центра эллипса к вершинам на большой и малой осях, называются соответственно большой полуосью и малой полуосью эллипса, и обозначаются и . Расстояния и от каждого из фокусов до заданной точки на эллипсе называются фокальными радиусами в этой точке. Расстояние от центра эллипса до его фокуса называется фокальным расстоянием. Величина называется эксцентриситетом, он находится в интервале [0, 1). Этот параметр характеризует «вытянутость» эллипса, то есть отличие его от окружности. Чем ближе эксцентриситет к нулю, тем меньше эллипс отличается от окружности. Отношение длин малой и большой полуосей называется коэффициентом сжатия эллипса или эллиптичностью: . Величина, равная называется сжатием эллипса. Для окружности коэффициент сжатия равен единице, сжатие — нулю. Коэффициент сжатия и эксцентриситет эллипса связаны соотношением Диаметром эллипса называют произвольную хорду, проходящую через его центр. Сопряжёнными диаметрами эллипса называют пару его диаметров, обладающих следующим свойством: середины хорд, параллельных первому диаметру, лежат на втором диаметре. В этом случае и середины хорд, параллельных второму диаметру, лежат на первом диаметре. Радиус эллипса в данной точке это отрезок, соединяющий центр эллипса с точкой, а также его длина, которая вычисляется по формуле , где  — угол между радиусом и большой полуосью. Фокальным параметром называется половина длины хорды, проходящей через фокус и перпендикулярной большой оси эллипса. Для каждого из фокусов существует прямая, называемая директрисой, такая, что отношение расстояния от произвольной точки эллипса до его фокуса к расстоянию от этой точки до данной прямой равно эксцентриситету эллипса. Весь эллипс лежит по ту же сторону от такой прямой, что и фокус. Уравнения директрис эллипса в каноническом виде записываются как для фокусов соответственно. Расстояние между фокусом и директрисой равно .

Соотношения между элементами эллипса  — большая полуось;  — малая полуось;  — фокальное расстояние (полурасстояние между фокусами);  — фокальный параметр;  — перифокусное расстояние (минимальное расстояние от фокуса до точки на эллипсе);  — апофокусное расстояние (максимальное расстояние от фокуса до точки на эллипсе);

 — большая полуось  — малая полуось  — фокальное расстояние  — фокальный параметр  — перифокусное расстояние  — апофокусное расстояние

Координатное представление

Эллипс как кривая второго порядка Эллипс является центральной невырожденной кривой второго порядка и удовлетворяет общему уравнению вида

при инвариантах и , где:

Соотношения между инвариантами кривой второго порядка и полуосями эллипса (верно только при условии, что центр эллипса совпадает с началом координат и ):

Каноническое уравнение

Для любого эллипса можно найти декартову систему координат такую, что эллипс будет описываться уравнением:

Это уравнение называется каноническим уравнением эллипса. Оно описывает эллипс с центром в начале координат, оси которого совпадают с осями координат.

Соотношения

Для определённости положим, что В этом случае величины и  — соответственно, большая и малая полуоси эллипса.

Зная полуоси эллипса, можно вычислить: расстояние между фокусами и эксцентриситет координаты фокусов эллипса

Эллипс имеет две директрисы, уравнения которых можно записать как

Фокальный параметр (то есть половина длины хорды, проходящей через фокус и перпендикулярной оси эллипса) равен

Фокальные радиусы, то есть расстояния от фокусов до произвольной точки кривой :

Уравнение диаметра, сопряжённого хордам с угловым коэффициентом :

Уравнение касательной к эллипсу в точке имеет вид:

Условие касания прямой и эллипса записывается в виде соотношения

Уравнение касательных, проходящих через точку :

Уравнение касательных, имеющих данный угловой коэффициент :

точки касания такой прямой эллипса (или что то же самое, точки эллипса, где касательная имеет угол с тангенсом, равным ):

Уравнение нормали в точке

Уравнения в параметрической форме

Каноническое уравнение эллипса может быть параметризовано:

где  — параметр.

Параметр является углом между положительным направлением оси абсцисс и радиус-вектором точки, лежащей на окружности с радиусом в малую или большую полуось эллипса, а не радиус-вектором данной точки на эллипсе (см. анимацию справа).

В полярных координатах Если принять фокус эллипса за полюс, а большую ось — за полярную ось, то его уравнение в полярных координатах будет иметь вид

где  — эксцентриситет, а  — фокальный параметр. Знак минус соответствует помещению полюса полярных координат в левый фокус, а знак плюс — в правый.

Вывод уравнения Пусть и  — расстояния до данной точки эллипса от первого и второго фокусов. Пусть также полюс системы координат находится в первом фокусе, а угол отсчитывается от направления на второй фокус. Тогда из определения эллипса следует, что . Отсюда . С другой стороны, из теоремы косинусов

Исключая из последних двух уравнений, получаем

Учитывая, что и , получаем искомое уравнение.

Если принять центр эллипса за полюс, а большую ось — за полярную ось, то его уравнение в полярных координатах будет иметь вид

В подерных координатах Уравнение эллипса в подерных координатах будет иметь следующий вид:

Длина дуги эллипса Длина дуги плоской линии определяется по формуле:

Воспользовавшись параметрическим представлением эллипса, получаем следующее выражение:

После замены выражение для длины дуги принимает окончательный вид:

Получившийся интеграл принадлежит семейству эллиптических интегралов, которые в элементарных функциях не выражаются, и сводится к эллиптическому интегралу второго рода . В частности, периметр эллипса равен:

где  — полный эллиптический интеграл второго рода.

Приближённые формулы для периметра

Не существует общей формулы, которая выражает длину периметра эллипса через его большие и малые полуоси и при этом использует только элементарные функции. Однако имеются приближённые формулы, в которых фигурируют эти параметры.

Одно из приближений предложено Эйлером в 1773 году; периметр эллипса, записанного каноническим уравнением:

приблизительно равен

Нижние и верхние границы периметра эллипса.

Здесь верхняя граница — длина описанной концентричной окружности, проходящей через концевые точки больших осей эллипса, а нижняя граница — периметр вписанного ромба, вершины которого — концы больших и малых осей.

Другие варианты приближённой оценки длины периметра эллипса:

Максимальная погрешность этой формулы при эксцентриситете эллипса (соотношение осей ). Погрешность всегда положительна.

Приблизительно в два раза меньшие погрешности в широком диапазоне эксцентриситетов дает формула: , где Максимальная погрешность этой формулы при эксцентриситете эллипса (соотношение осей ) Погрешность также всегда положительна.

Существенно лучшую точность при обеспечивает формула Рамануджана:

При эксцентриситете эллипса (соотношение осей ) погрешность составляет . Погрешность всегда отрицательна.

Ещё точней оказалась вторая формула Рамануджана:

Точные формулы для периметра

Джеймс Айвори и Фридрих Бессель В англ. переводе: независимо друг от друга получили формулу для периметра эллипса:

Альтернативная формула

где  — арифметико-геометрическое среднее 1 и , а  — модифицированное арифметико-геометрическое среднее 1 и , которое было введено С. Ф. Адлаем в статье 2012 года.

Площадь эллипса и его сегмента Площадь эллипса вычисляется по формуле

Площадь сегмента между , выпуклой влево, и вертикальной хордой, проходящей через точки и можно определить по формуле:

Если эллипс задан уравнением , то площадь можно определить по формуле

Другие свойства Оптические Свет от источника, находящегося в одном из фокусов, отражается эллипсом так, что отраженные лучи пересекутся во втором фокусе. Свет от источника, находящегося вне любого из фокусов, отражается эллипсом так, что отраженные лучи ни в каком фокусе не пересекутся. Если и  — фокусы эллипса, то для любой точки , принадлежащей эллипсу, угол между касательной в этой точке и прямой равен углу между этой касательной и прямой . Прямая, проведённая через середины отрезков, отсечённых двумя параллельными прямыми, пересекающими эллипс, всегда будет проходить через центр эллипса. Это позволяет построением с помощью циркуля и линейки легко получить центр эллипса, а в дальнейшем оси, вершины и фокусы. Эквивалентная формулировка: через середины двух любых параллельных хорд эллипса проходит какой-либо диаметр эллипса. В свою очередь, любой диаметр эллипса всегда проходит через центр эллипса. Эволютой эллипса является астроида, вытянутая вдоль вертикальной оси. Точки пересечения эллипса с осями являются его вершинами. Эксцентриситет эллипса, то есть отношение характеризует вытянутость эллипса. Чем эксцентриситет ближе к нулю, тем эллипс больше напоминает окружность и наоборот, чем эксцентриситет ближе к единице, тем он более вытянут. Если эксцентриситет эллипса равен нулю (что то же самое, что фокальное расстояние равно нулю: ), то эллипс вырождается в окружность. Для любого эллипса с эксцентриситетом на каждой четверти эллипса, отсекаемой от него его осями, найдётся ровно одна точка, отличная от вершины, нормаль к данному эллипсу в которой проходит через вершину эллипса. Так, для эллипса , где , то есть , координаты таких четырёх точек (по одной в каждой четверти эллипса) таковы: . Пусть эллипс с эксцентриситетом имеет фокусы и ; нормаль к нему в точке , отличной от вершины, проходит через точку данного эллипса, отличную от точки ; тогда точка является вершиной эллипса тогда и только тогда, когда четырёхугольник вписан. При этом угол между большой осью такого эллипса и указанной нормалью равен ; . Для любого эллипса с эксцентриситетом нормаль к эллипсу в данной точке проходит через вершину эллипса только если данная точка сама является иной вершиной такого эллипса. Экстремальные свойства Если  — выпуклая фигура и  — вписанный в -угольник максимальной площади, то

где обозначает площадь фигуры . Более того, равенство достигается в том и только в том случае, если ограничено эллипсом.