Question Number 66161 by peter frank last updated on 09/Aug/19
Answered by mr W last updated on 10/Aug/19
$${if}\:{a}\:{line}\:{y}={mx}+{c}\:{tangents}\:{the}\:{ellipse} \\ $$$$\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{{y}^{\mathrm{2}} }{{b}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1} \\ $$$${we}\:{have} \\ $$$$\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{\left({mx}+{c}\right)^{\mathrm{2}} }{{b}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1} \\ $$$${b}^{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{2}} +{a}^{\mathrm{2}} \left({m}^{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{mcx}+{c}^{\mathrm{2}} \right)={a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\left({m}^{\mathrm{2}} {a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} \right){x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{mca}^{\mathrm{2}} {x}+{a}^{\mathrm{2}} \left({c}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Delta=\mathrm{4}{m}^{\mathrm{2}} {c}^{\mathrm{2}} {a}^{\mathrm{4}} −\mathrm{4}\left({m}^{\mathrm{2}} {a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} \right){a}^{\mathrm{2}} \left({c}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$${m}^{\mathrm{2}} {c}^{\mathrm{2}} {a}^{\mathrm{2}} −\left({m}^{\mathrm{2}} {a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} \right)\left({c}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow{m}^{\mathrm{2}} {a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} ={c}^{\mathrm{2}} \\ $$$$ \\ $$$${let}'{s}\:{say}\:{all}\:{the}\:{three}\:{ellipses}\:{have}\:{a} \\ $$$${common}\:{tangent}\:{line}\:{y}={mx}+{c},\:{then} \\ $$$${m}^{\mathrm{2}} {a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} +{b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} ={c}^{\mathrm{2}} \:\:\:\:…\left({i}\right) \\ $$$${m}^{\mathrm{2}} {a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} +{b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} ={c}^{\mathrm{2}} \:\:\:\:…\left({ii}\right) \\ $$$${m}^{\mathrm{2}} {a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} +{b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} ={c}^{\mathrm{2}} \:\:\:\:…\left({iii}\right) \\ $$$$\left({i}\right)−\left({ii}\right): \\ $$$${m}^{\mathrm{2}} \left({a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} \right)+\left({b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0}\:\:\:…\left({iv}\right) \\ $$$$\left({i}\right)−\left({iii}\right): \\ $$$${m}^{\mathrm{2}} \left({a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} \right)+\left({b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0}\:\:\:…\left({v}\right) \\ $$$${from}\:\left({iv}\right)\:{and}\:\left({v}\right): \\ $$$$\left({a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} \right)\left({b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} \right)−\left({a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} \right)\left({b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$${a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} +{a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} +{a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} +{a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} =\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\left({a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} \right)−\left({a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \right)+\left({a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} −{a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} {b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\begin{vmatrix}{{a}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} }&{{b}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} }&{\mathrm{1}}\\{{a}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} }&{{b}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} }&{\mathrm{1}}\\{{a}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} }&{{b}_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{2}} }&{\mathrm{1}}\end{vmatrix}=\mathrm{0} \\ $$
Commented by peter frank last updated on 10/Aug/19
$${thank}\:{you}\:{very}\:{much}\: \\ $$