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第一章:圓錐曲線概論

2022-07-29 19:16 作者:呆哥數(shù)學  | 我要投稿

圓錐曲線的定義是:由一個平面截二次曲面得到的曲線,實際上就是把三維降成了二維得到了圓錐曲線。而二次曲面實際上是有相當多的,實際上是由一組三元二次方程

f(x)%3Da_%7B11%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B12%7D%20x%20y%2Ba_%7B22%7D%20y%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B13%7D%20x%20z%2Ba_%7B33%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B23%7D%20y%20z%2Ba_%7B1%7D%20x%2Ba_%7B2%7D%20y%2Ba_%7B3%7D%20z%2Ba_%7B0%7D

表示的圖形,前6項為二次型(但二次矩陣未必正定,因為順序主子式不一定全正),下面筆者將一一介紹。

1、圓柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0Ax%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0Ax%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0Ay%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示母線平行于z軸、y軸、x軸的圓柱面,這個很常見,就是我們平時所用的圓柱,上下底面是圓心,側(cè)面展開后為長方形。我們只需要利用一個垂直于母線的平面去截圓柱面,即可得到圓。

2、橢圓柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

這里分別表示的是母線平行于z軸、y軸、x軸的橢圓柱面,它與圓柱面的區(qū)別就在于:上下底面由圓變成了橢圓,其余的是一樣的,如此一來,只需要用一個垂直于母線的平面去截橢圓柱面,即可得到橢圓。

3、雙曲柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示母線(兩支雙曲柱面的最低位置所在)平行于z軸、y軸、x軸的雙曲柱面,上下底面由圓變成了雙曲線,其余的是一樣的。只需要用一個垂直于母線的平面去截雙曲柱面,即可得到雙曲線。

4、拋物柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0Ay%5E%7B2%7D%3D2%20a%20x%20%5C%5C%0Ax%5E%7B2%7D%3D2%20a%20z%20%5C%5C%0Ay%5E%7B2%7D%3D2%20a%20z%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示的是母線(位于拋物柱面最低位置的線)平行于z軸、y軸、x軸的拋物柱面,上下底面由圓變成了雙曲線,其余的是一樣的。只需要用一個垂直于母線的平面去截拋物柱面,即可得到拋物線。


5、球面:

x%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D

球是對稱的二次平面,所以只有一個方程。

6、橢球面:

%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D

同樣是個對稱的二次平面,所以只有一個方程。

7、橢圓拋物面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D2%20z%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20y%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20x%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示開口方向平行于z軸、y軸、x軸的橢圓拋物面,由拋物線以橢圓方式繞著它與坐標軸平行的軸旋轉(zhuǎn)而成,下圖為繞z軸形成:

8、圓錐面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3Dz%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3Dy%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3Dx%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示開口方向平行于z軸、y軸、x軸的圓錐面,實則是由兩條直線繞著它與坐標軸平行的軸旋轉(zhuǎn)而成。

9、橢圓錐面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示開口方向平行于z軸、y軸、x軸的橢圓錐面,實則是由直線以橢圓方式繞著它與坐標軸平行的軸旋轉(zhuǎn)而成,下圖為繞z軸形成。

10、單葉雙曲面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3D1%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示開口方向平行于z軸、y軸、x軸的單葉雙曲面,特點是上下均呈雙曲線形狀,之間有個連通口,且只有一個面,故稱單葉。

11、雙葉雙曲面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D1%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示開口方向平行于z軸、y軸、x軸的單葉雙曲面,它的特點是上下均呈雙曲線形狀,之間無連通口,有兩個面,故稱雙葉。

12、雙曲拋物面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D2%20z%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20y%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20x%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分別表示開口方向平行于z軸、y軸、x軸的雙曲拋物面,它由多個不同的雙曲線疊加而成,特點是呈現(xiàn)馬鞍形。


以上就是十二個二次曲面了,實際上還有環(huán)面,但它并不屬于二次曲面:

這是因為環(huán)面方程為:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cleft(R-%5Csqrt%7Bx%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%7D%5Cright)%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3Dr%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cleft(R-%5Csqrt%7Bx%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%5Cright)%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%3Dr%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cleft(R-%5Csqrt%7By%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%5Cright)%5E%7B2%7D%2Bx%5E%7B2%7D%3Dr%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

這個并不是二次型,自然也就不屬于二次曲線。此外,三維方程在大學數(shù)學中被廣泛應用于三重積分和高等代數(shù),這里我們只是對方程和圖片作簡單介紹來引出下文。話不多說,來進入高中圓錐曲線的正題。


圓錐曲線標準方程

前面我們說過了二維圓錐曲線生成方法,是由三維曲線的截面得到的。而高中圓錐曲線主要是四個,即我們前面各柱面所截的:圓、橢圓、雙曲線、拋物線。

所截出來的面不再受到三維軸z軸的影響,自然不再含有z,也就是說,若二次曲線定義式為:

f(x)%3Da_%7B11%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B12%7D%20x%20y%2Ba_%7B22%7D%20y%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B13%7D%20x%20z%2Ba_%7B33%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B23%7D%20y%20z%2Ba_%7B1%7D%20x%2Ba_%7B2%7D%20y%2Ba_%7B3%7D%20z%2Ba_%7B0%7D%3D0

則降為二維之后可得到標準方程:

f(x)%3Da_%7B11%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B12%7D%20x%20y%2Ba_%7B22%7D%20y%5E%7B2%7D%2Ba_%7B33%7D%20x%5E%7B2%7D%2Ba_%7B1%7D%20x%2Ba_%7B2%7D%20y%2Ba_%7B0%7D%3D0

但是根據(jù)我們的記憶,應該是不存在xy項的呀?實際上,我們平時所見的圓錐曲線確實是這樣的。如果我們留著項去畫圖,將會得到這樣的圖像:

簡單來說,就是有xy項時,圓錐曲線將會產(chǎn)生一定角度的旋轉(zhuǎn),考試中把橢圓、雙曲線、拋物線默認全部關(guān)于原坐標軸對稱,也就是默認不會旋轉(zhuǎn)了。






第一章:圓錐曲線概論的評論 (共 條)

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