圆锥曲线论

更新时间:2023-07-12 09:51

圆锥曲线最早是由古希腊学者梅内克谬斯(Menaechmus)进行系统研究的,他用顶角分别为直角、锐角和钝角,三种直圆锥以不过顶点而垂直一条母线的平面截割这三种圆锥曲面,而分别得到抛物线、椭圆和双曲线的一支。

简介

圆锥曲线亦称圆锥截线。简称锥线。一类重要的二次曲线。它是不过圆锥顶点的平面与圆锥面相交而成的曲线。

设圆锥的半顶角为α,平面与圆锥的轴所成的角为θ:

当θ=α 时,截面和圆锥的一条母线平行,交线是抛物线;

当 α<θ≤π/2 时,截面和所有的母线相交,交线是椭圆,特别当θ=π/2 时,交线时圆;

当 0≤θ<α 时,截面和两条母线平行,交线时双曲线。

因此,圆锥曲线包括抛物线、椭圆和双曲线,统称圆锥曲线。如果平面过圆锥的顶点,截面与圆锥面的交集有以下几种情况:

当θ=α 时,平面与圆锥面相切于圆锥的一条母线,可视为退化抛物线;

当α<θ≤π/2 时,平面与圆锥面有惟一公共点(圆锥的顶点),可视为退化的椭圆;

当 0≤θ<α 时,平面与圆锥面相交于两条母线,可视为退化双曲线。

这些交集统称为退化圆锥曲线。一般所谓的圆锥曲线,是指非退化的圆锥曲线。

在平面仿射坐标系中,圆锥曲线的方程都是二元二次方程,因此,圆锥曲线又称为二次曲线。而且平面与任何二次曲面的交线总是二次曲线。例如,圆柱的斜截口即为椭圆。设想在圆锥的顶点 V 处放一点光源,圆在灯光下的阴影一般时圆锥形的,因此,圆锥曲线是圆在中心投影下,在不同平面上的射影。椭圆、抛物线、双曲线与圆在中心投影下互变的规律性对于航空测量(高空照片的分析)和透视学研究具有重要意义。

发展

圆锥曲线最早是由古希腊学者梅内克谬斯(Menaechmus)进行系统研究的。

到了亚历山大里亚时期,阿波罗尼奥斯(Apollonius,(P))在他的《圆锥曲线学》中指出同一圆锥的不同截口曲线可以是抛物线(齐曲线)、椭圆(亏曲线)和双曲线(超曲线),并且研究了圆锥曲线的共轭直径、切线和法线及其性质,也研究了圆锥曲线的极点和极线的性质。书中没有谈准线,但圆锥曲线是到定点(焦点)和到定直线(准线)的距离之比为常数(离心率)的点的轨迹,对此欧几里得(Euclid)是知道的,并由帕普斯(Pappus,(A))述及且给出证明,这些对形成近代圆锥曲线的理论有着深远的影响。

自从笛卡儿(Descartes,R.)引进坐标系以来,沃利斯(Wallis,J.)在他的《论圆锥曲线》中,为了阐明阿波罗尼奥斯的结果,把几何条件转化为代数条件,第一个证明了动点坐标x,y的二元二次方程与几何里的圆锥曲线对应,并开始用方程的理论来研究曲线的性质。

16 —17 世纪,随着机械工业的诞生和航海、建筑、造船、采矿等事业的发达,推动了天文学和力学的发展。这时在天文学上发现行星的轨道是椭圆,力学上确定了抛射体的轨道是抛物线等。因此,有关圆锥曲线的深人研究也就成为迫切的需要了。

到了18 世纪,由于欧拉(Euler,L.)等多人的努力,圆锥曲线的现代理论才有了最终的结果。

性质

椭圆

文字语言定义:平面内一个动点到一个定点与一条定直线的距离之比是一个小于1的正常数e。平面内一个动点到两个定点(焦点)的距离和等于定长2a的点的集合(设动点为P,两个定点为F1和F2,则PF1+PF2=2a)。定点是椭圆的焦点,定直线是椭圆的准线,常数e是椭圆的离心率

标准方程

1、中心在原点焦点在x轴上的椭圆标准方程:

其中,。

2、中心在原点焦点在y轴上的椭圆标准方程:

其中,。

参数方程:;(θ为参数,0≤θ≤2π)。

双曲线

文字语言定义:平面内一个动点到一个定点与一条定直线的距离之比是一个大于1的常数e;平面内一个动点到两个定点(焦点)的距离差等于定长2a的点的集合(设动点为P,两个定点为F1和F2,则│PF1-PF2│=2a)定点是双曲线的焦点,定直线是双曲线的准线,常数e是双曲线的离心率

标准方程:

1、中心在原点,焦点在x轴上的双曲线标准方程

其中a>0,b>0,c2=a2+b2。

2、中心在原点,焦点在y轴上的双曲线标准方程

其中a>0,b>0,c2=a2+b2。

参数方程:x=asecθ;y=btanθ (θ为参数)。

抛物线

文字语言定义:平面内一个动点到一个定点与一条定直线的距离之比是等于1。定点是抛物线的焦点,定直线是抛物线的准线

参数方程

x=2pt2 ,

y=2pt (t为参数),

t=1/tanθ(tanθ为曲线上点与坐标原点确定直线的斜率)特别地,t可等于0。

直角坐标

y=ax2+bx+c (开口方向为y轴,a≠0) x=ay2+by+c (开口方向为x轴,a≠0)。

离心率

椭圆双曲线抛物线这些圆锥曲线有统一的定义:平面上,到定点的距离与到定直线的距离的比e是常数的点的轨迹叫做圆锥曲线。且当01时为双曲线

这里的参数e就是圆锥曲线的离心率,它不仅可以描述圆锥曲线的类型,也可以描述圆锥曲线的具体形状,简言之,离心率相同的圆锥曲线都是相似图形。一个圆锥曲线,只要确定了离心率,形状就确定了。特别的,因为抛物线的离心率都等于1,所以所有的抛物线都是相似图形。

极坐标方程

1、在圆锥中,圆锥曲线极坐标方程可表示为:

其中l表示半径,e表示离心率;

2、在平面坐标系中,圆锥曲线极坐标方程可表示为:

其中e表示离心率,p表示焦点到准线的距离。

焦半径

圆锥曲线上任意一点到焦点的距离称为焦半径

圆锥曲线左右焦点为F1、F2,其上任意一点为P(x,y),则焦半径为:

椭圆

|PF1|=a+ex(PF1>PF2);

|PF2|=a-ex(PF2

双曲线

P在左支,|PF1|=-a-ex,|PF2|=a-ex;

P在右支,|PF1|=a+ex,|PF2|=-a+ex;

P在下支,|PF1|= -a-ey,|PF2|=a-ey;

P在上支,|PF1|= a+ey,|PF2|=-a+ey。

抛物线

|PF|=x+p/2。

切线方程

圆锥曲线上一点P(,)的切线方程

以代替,以代替;以代替,以代替

即得椭圆:;双曲线:;抛物线:。

焦准距

圆锥曲线的焦点到准线的距离p,叫圆锥曲线的焦准距,或焦参数

椭圆:;

双曲线:;

抛物线:p。

焦点三角形

椭圆或双曲线上的一点与两焦点所构成的三角形。

设F1、F2分别为椭圆或双曲线的两个焦点,P为椭圆或双曲线上的一点且PF1F2能构成三角形。

若∠F1PF2=θ,则椭圆焦点三角形的面积为;

双曲线焦点三角形的面积为。

通径

圆锥曲线中,过焦点并垂直于轴的弦称为通径

椭圆的通径:

双曲线的通径:

抛物线的通径:2p

对比

中点弦问题

已知圆锥曲线内一点为圆锥曲线的一弦中点,求该弦的方程:

1、联立方程

点斜式设出该弦的方程(斜率不存在的情况需要另外考虑),与圆锥曲线方程联立求得关于x的一元二次方程和关于y的一元二次方程,由韦达定理得到两根之和的表达式,再由中点坐标公式和两根之和的具体数值,求出该弦的方程。

2、点差法(代点相减法)

设出弦的两端点坐标(x1,y1)和(x2,y2),代入圆锥曲线的方程,将得到的两个方程相减,运用平方差公式得[(x1+x2)(x1-x2)]/a2+[(y1+y2)(y1-y2)/b2]=0

斜率为(y1-y2)/(x1-x2),可以得到斜率的取值(使用时注意判别式的问题)

统一方程

平面直角坐标系内的任意圆锥曲线可用如下方程表示:

其中,α∈[0,2π),p>0,e≥0。

①e=1时,表示以F(g,h)为焦点,p为焦点到准线距离的抛物线。其中与极轴夹角α(A为抛物线顶点)。

②0准线距离,e为离心率的椭圆。其中与极轴夹角α。

③e>1时,表示以F2(g,h)为一个焦点,p为焦点到准线距离,e为离心率的双曲线。其中与极轴夹角α。

④e=0时,表示点F(g,h)。

五点法求平面内圆锥曲线可以采用该统一方程。代入五组有序实数对,求出对应参数。

注:此方程不适用于圆锥曲线的其他退化形式,如等。

附:当e≠0时,F(g,h)对应准线方程:

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