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用当代视角回望圆锥曲线
圆锥曲线问题是基础数学领域里的核心问题。现在人们普遍认为:用一个平面截圆锥面,可以得到圆、椭圆、双曲线、抛物线四种曲线。但存在的问题是古典圆锥曲线理论并没有确切地定义平面和圆锥面,这就使得圆锥曲线成了无源之水、无本之木,在解决具体的理论、实际问题时,总让人觉得若即若离、若明若暗。 为了更简洁、更精确地描述圆锥曲线,有必要先引入圆柱曲线,然后再说圆锥曲线。 总体思路是:一、用平面截圆柱面推导出椭圆和圆。二、用平面截圆锥面推导出双曲线、抛物线、椭圆。
第一节、用平面截圆柱面推导出椭圆和圆; 用一平面去截圆柱面,可以得到椭圆和圆两种曲线,命名为圆柱曲线。 在三维坐标系中,定义平面:y3任意 ① z3=tanθΧ3 ② (0<θ≤90) 定义圆柱面:Χ3任意 ③ z3^=rb^-y3^ ④ (rb>0) 把②、④联立得: y3^ =-tan^θΧ3^+rb^ ⑤ 在平面内建二维坐标系,原点o2在三维的o3处,y3=y2,Χ3/Χ2=cosθ,所以x3=cosθx2,把y3=y2,x3=cosθx2代入⑤得: y2^=-sin^θx2^ +rb^ ⑥
化为一般式: y^=-sin^θx^+ rb^ ⑦ ⑦ 式即为圆柱曲线的统一表达式。 最后分析:1、当0<θ<90时,图形为椭圆; 2、当θ=90时, 图形为圆。 说明:(x^、y^、rb^表示x、y、rb的平方) 因此可以认为:圆是特殊的椭圆(数学思维方法应该是:特殊性寓于普遍性之中)。在单独研究圆或椭圆时,完全可以把其放在圆柱曲线中来研究,使得命题、方法更简洁。 第二节、用平面截圆锥面推导出双曲线、抛物线、椭圆和圆四种曲线,命名为圆锥曲线。 一、用一平面去截圆锥面,可以得到双曲线、抛物线和椭圆, 在三维坐标系中,定义平面:y3任意 ① z3=tanβΧ3 ② (0≤β<90) 定义圆锥面:(z3-D)^=tan^α X3^-y3^ ③ (D>0、0<α<90) 把②、③联立得: ( tanβX3-D)^= tan^α X3^-y3^ ④ 整理得: y3^=(tan^α -tanβ^) X3^ +2Dtanβ X3-D^ ⑤ 在平面内建二维坐标系,原点o2在三维的o3处,y3=y2,Χ3/Χ2=cosβ ,所以x3=cosβ x2; 把y3=y2,x3=cosβ x2代入⑤得: y2^=(tan^α cos^β -sin^β) X2^ +2Dsinβ X2-D^ ⑥ 化为一般式: y^=(tan^α cos^β -sin^β) X^ +2Dsinβ X-D^ ⑦ ⑦式即为圆锥曲线(不含圆)的统一表达式. 最后分析:1、当β=0时, ⑦式变为y^=tan^α X^-D^ ,图形为双曲线 。 2、当0<β<α时,⑦式不变,图形为双曲线 。 3、当β=α时,⑦式变为y^=2Dsin αX-D^,图形为抛物线 。 4、当β>α时,⑦式不变,图形为椭圆。 二、以上是用与y3oz3平面相交的平面去截圆锥面的情形。如果再用与y3oz3平面平行(不含重合)的平面去截圆锥面,仅得到圆一种曲线,表达式为: ( y-D)^=-X^+tan^α E^ ⑧ 定义平面:Χ3=E,Y3、z3任意。 ( E>0) 综上所述:双曲线、抛物线、椭圆和圆四种曲线,不应该叫圆锥曲线,而应该叫二次曲线。这样名称中就既有代数(二次)又有几何(曲线)。通过以上推导,曲线依旧,就是不见当年的方程。
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