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用当代视角回望圆锥曲线
编辑:tansin 日期:2008-3-23 23:46:30 点击: 进入论坛 进入博客

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,Χ32=cosθ,所以x3=cosθx2,把y3=y2,x3=cosθx2代入得:
                                              y2^=-sin^θx2^ +rb^     ⑥         

化为一般式:                        y^-sin^θx^+ rb^        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,Χ32=cosβ ,所以x3=cosβ x2;  把y3=y2,x3=cosβ x2代入得:
                         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
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, 式变为y^=tan^α X^-D^ ,图形为双曲线 。
                  2、当0<β<α时,式不变,图形为双曲线 。
                  3、当β=α时,式变为y^=2Dsin αX-D^,图形为抛物线 。
                  4、当β>α时,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^        
          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。




来源:原创
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