Question Number 44801 by ajfour last updated on 04/Oct/18
Commented by ajfour last updated on 04/Oct/18
$${Equation}\:{of}\:{ellipse}:\:\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{{y}^{\mathrm{2}} }{{b}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1}\:, \\ $$$${find}\:{radius}\:\boldsymbol{{r}}\:{of}\:{circle}. \\ $$
Answered by ajfour last updated on 05/Oct/18
$${let}\:{centre}\:{of}\:{circle}\:{be}\:\left({h},\mathrm{0}\right) \\ $$$$\:\:\:\boldsymbol{{h}}\:=\:\frac{\boldsymbol{{r}}}{\mathrm{sin}\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \boldsymbol{{m}}}\:=\:\frac{{r}\sqrt{\mathrm{1}+{m}^{\mathrm{2}} }}{{m}} \\ $$$$\:\:{point}\:{of}\:{contact}\:\left({upper}\right)\::\:\left({x}_{\mathrm{0}} ,{y}_{\mathrm{0}} \right) \\ $$$$\:\:\:\begin{cases}{{x}_{\mathrm{0}} ={a}\mathrm{cos}\:\phi\:=\:{h}+{r}\mathrm{cos}\:\theta\:}\\{{y}_{\mathrm{0}} =\:{b}\mathrm{sin}\:\phi\:=\:{r}\mathrm{sin}\:\theta}\end{cases} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\mathrm{tan}\:\phi\:=\:\frac{{ar}\mathrm{sin}\:\theta}{{b}\left({h}+{r}\mathrm{cos}\:\theta\right)}\:\:\:….\left({i}\right) \\ $$$$\:\:\:\frac{{dy}}{{dx}}\mid_{{x}_{\mathrm{0}} } =\:\frac{{b}\mathrm{cos}\:\phi}{−{a}\mathrm{sin}\:\phi}\:=\:−\frac{\mathrm{cos}\:\theta}{\mathrm{sin}\:\theta} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\Rightarrow\:\:\mathrm{tan}\:\phi\:=\:\frac{{b}\mathrm{sin}\:\theta}{{a}\mathrm{cos}\:\theta}\:\:\:…\left({ii}\right) \\ $$$${comparing}\:\left({i}\right)\&\left({ii}\right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\frac{{ar}\mathrm{sin}\:\theta}{{b}\left({h}+{r}\mathrm{cos}\:\theta\right)}\:=\:\frac{{b}\mathrm{sin}\:\theta}{{a}\mathrm{cos}\:\theta} \\ $$$${as}\:\theta\neq\mathrm{0}\:,\:\:{a}^{\mathrm{2}} {r}\mathrm{cos}\:\theta\:=\:{b}^{\mathrm{2}} {h}+{b}^{\mathrm{2}} {r}\mathrm{cos}\:\theta \\ $$$$\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\ $$$$\:\begin{cases}{{if}\:\:\theta\:=\:\mathrm{0}\:\Rightarrow\:\:\boldsymbol{{a}}\:=\:\boldsymbol{{b}},\:{then}}\\{\:\:\boldsymbol{{r}}\:=\:\boldsymbol{{a}}−\boldsymbol{{h}}\:=\:\boldsymbol{{a}}−\frac{\boldsymbol{{r}}\sqrt{\mathrm{1}+\boldsymbol{{m}}^{\mathrm{2}} }}{\boldsymbol{{m}}}}\end{cases} \\ $$$$\Rightarrow\:\:\:{r}\:=\:\frac{{a}}{\mathrm{1}+\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{m}^{\mathrm{2}} }}{{m}}}\:\: \\ $$$$\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\ $$$$\:\:{But}\:{when}\:{its}\:{not}\:{so} \\ $$$$\Rightarrow\:\:\:\:\:\:\mathrm{cos}\:\theta\:=\:\frac{{b}^{\mathrm{2}} {h}}{{r}\left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$${from}\:{first}\:{bracket}\:{eqs}. \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\frac{\left({h}+{r}\mathrm{cos}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\left({r}\mathrm{sin}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} }{{b}^{\mathrm{2}} }\:=\:\mathrm{1} \\ $$$$\Rightarrow\:\:{b}^{\mathrm{2}} \left({h}+{r}\mathrm{cos}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} +{a}^{\mathrm{2}} \left({r}^{\mathrm{2}} −{r}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}\:^{\mathrm{2}} \theta\right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=\:{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \\ $$$${b}^{\mathrm{2}} \left({h}+\frac{{b}^{\mathrm{2}} {h}}{{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} +{a}^{\mathrm{2}} \left[{r}^{\mathrm{2}} −\left(\frac{{b}^{\mathrm{2}} {h}}{{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} \right] \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=\:{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\:{r}^{\mathrm{2}} \:=\:\frac{{b}^{\mathrm{4}} {h}^{\mathrm{2}} }{\left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }+{b}^{\mathrm{2}} −\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} {h}^{\mathrm{2}} }{\left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\boldsymbol{{r}}^{\mathrm{2}} \:=\:\boldsymbol{{b}}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\frac{\boldsymbol{{h}}^{\mathrm{2}} }{\boldsymbol{{a}}^{\mathrm{2}} −\boldsymbol{{b}}^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$${but}\:\:\:{h}^{\mathrm{2}} \:=\:{r}^{\mathrm{2}} +\frac{{r}^{\mathrm{2}} }{{m}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\:\:{r}^{\mathrm{2}} \:=\:{b}^{\mathrm{2}} −\frac{{b}^{\mathrm{2}} {r}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} }−\frac{{b}^{\mathrm{2}} {r}^{\mathrm{2}} }{{m}^{\mathrm{2}} \left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\:{r}^{\mathrm{2}} \left[\mathrm{1}+\left(\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} }\right)\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{m}^{\mathrm{2}} }\right)\right]=\:{b}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\ $$$$\:\:\:\:\boldsymbol{{r}}\:=\:\frac{\boldsymbol{{b}}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\left(\frac{\boldsymbol{{b}}^{\mathrm{2}} }{\boldsymbol{{a}}^{\mathrm{2}} −\boldsymbol{{b}}^{\mathrm{2}} }\right)\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\boldsymbol{{m}}^{\mathrm{2}} }\right)}}\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:{If}\:\theta\:\neq\:\mathrm{0}\:\:\left({same}\:{as}\:{a}\:\neq\:{b}\right). \\ $$
Commented by ajfour last updated on 05/Oct/18
$${If}\:{a}=\mathrm{5}\:,\:{b}=\mathrm{4},\:{m}=\mathrm{1} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\boldsymbol{{r}}\:=\:\frac{\mathrm{4}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{32}}{\mathrm{9}}}\:}\:\:=\:\frac{\mathrm{12}}{\:\sqrt{\mathrm{41}}}\:. \\ $$
Answered by MrW3 last updated on 05/Oct/18
$${eqn}.\:{of}\:{ellipse}: \\ $$$$\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{{y}^{\mathrm{2}} }{{b}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}{x}}{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{2}{y}}{{b}^{\mathrm{2}} }{y}'=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow{y}'=−\frac{{b}^{\mathrm{2}} {x}}{{a}^{\mathrm{2}} {y}} \\ $$$${center}\:{of}\:{circle}\:\left({x}_{\mathrm{0}} ,\mathrm{0}\right)\:{with} \\ $$$${x}_{\mathrm{0}} =\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{m}^{\mathrm{2}} }}{{m}}{r}={r}\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{m}^{\mathrm{2}} }}=\mu{r} \\ $$$${contact}\:{point}\:\left({u},{v}\right) \\ $$$${u}={x}_{\mathrm{0}} +{r}\:\mathrm{cos}\:\theta={r}\left(\mu+\mathrm{cos}\:\theta\right) \\ $$$${v}={r}\:\mathrm{sin}\:\theta \\ $$$$\frac{{r}^{\mathrm{2}} \left(\mu+\mathrm{cos}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{{r}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta}{{b}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{tan}\:\theta}=\frac{{b}^{\mathrm{2}} {u}}{{a}^{\mathrm{2}} {v}}=\frac{{b}^{\mathrm{2}} {r}\left(\mu+\mathrm{cos}\:\theta\right)}{{a}^{\mathrm{2}} {r}\:\mathrm{sin}\:\theta}=\frac{{b}^{\mathrm{2}} \left(\mu+\mathrm{cos}\:\theta\right)}{{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}\:\theta} \\ $$$${a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{cos}\:\theta={b}^{\mathrm{2}} \left(\mu+\mathrm{cos}\:\theta\right) \\ $$$$\left({a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{cos}\:\theta=\mu{b}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{cos}\:\theta=\frac{\mu{b}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} }=\frac{\mu}{\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:{with}\:\lambda=\frac{{a}}{{b}} \\ $$$${r}^{\mathrm{2}} \left[\frac{\left(\mu+\mathrm{cos}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta}{{b}^{\mathrm{2}} }\right]=\mathrm{1} \\ $$$${r}^{\mathrm{2}} \left[\frac{{b}^{\mathrm{2}} \left(\mu+\mathrm{cos}\:\theta\right)^{\mathrm{2}} +{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta}{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }\right]=\mathrm{1} \\ $$$${r}^{\mathrm{2}} \left[\frac{\left(\mu+\frac{\mu}{\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} +\lambda^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\frac{\mu}{\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)\left(\mathrm{1}+\frac{\mu}{\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)}{{a}^{\mathrm{2}} }\right]=\mathrm{1} \\ $$$${r}^{\mathrm{2}} \left[\frac{\frac{\mu^{\mathrm{2}} \lambda^{\mathrm{2}} \left(\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)+\lambda^{\mathrm{2}} \left(\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\left(\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} }\right]=\mathrm{1} \\ $$$${r}^{\mathrm{2}} \left[\frac{\lambda^{\mathrm{2}} \left(\mu^{\mathrm{2}} +\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}{{a}^{\mathrm{2}} \left(\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\right]=\mathrm{1} \\ $$$$\Rightarrow{r}=\frac{{a}}{\lambda}\sqrt{\frac{\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mu^{\mathrm{2}} +\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}} \\ $$$$\Rightarrow{r}={b}\sqrt{\frac{\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mu^{\mathrm{2}} +\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}} \\ $$$$\Rightarrow{r}={b}\sqrt{\frac{\left(\frac{{a}}{{b}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{m}^{\mathrm{2}} }+\left(\frac{{a}}{{b}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}} \\ $$$$\Rightarrow{r}={b}\sqrt{\frac{\left(\frac{{a}}{{b}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{{m}^{\mathrm{2}} }+\left(\frac{{a}}{{b}}\right)^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${r}=\frac{{b}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{m}^{\mathrm{2}} }\right)\left(\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} }\right)}} \\ $$
Commented by ajfour last updated on 05/Oct/18
$$\:{Thank}\:{you}\:{Sir},\:{i}\:{hope}\:{my} \\ $$$${answer}\:{matches}.. \\ $$
Commented by MrW3 last updated on 05/Oct/18
$${our}\:{answers}\:{are}\:{the}\:{same}. \\ $$