060 圆锥曲线 Conic Sections
这一节我们会从几何角度定义并研究抛物线、椭圆和双曲线,并且推导它们的笛卡尔坐标系下的方程。这些曲线都称为圆锥曲线(conic sections
conics
),因为它们可以由一个平截截一个双锥体得到。如下图所示。
抛物线
定义
在一个平面上,抛物线(
parabola
)是到定点距离等于到定直线距离相等的点的集合。这个定点是抛物线的焦点(focus
)。这个定直线是抛物线的准线(directrix
)。
如果焦点 在准线 上,那么抛物线是通过点 且垂直于 的直线。这是一种退化情况,因此这里假定 不在 上。
最简单的抛物线方程是焦点和准线在坐标轴两边。假定焦点 在 轴上,准线是直线 。如下图所示。
点 在抛物线上等价于 。由距离公式有 联立方程,平方,化简得到 这个方程揭示了抛物线关于 轴对称。称 轴为抛物线的轴(抛物线对称轴的简称)。
抛物线和坐标轴的交点称为顶点(vertex
)。抛物线 的顶点是原点(如上图)。正数 是抛物线的焦距(focal length
)。
如果抛物线开口向下,那么焦点是 ,准线是 ,那么方程 变成了
将 互换,得到开口向左或向右的类似抛物线的方程。
例1 求抛物线 的焦点和准线。
解:从标准方程 求 。 因此焦点是 准线是
椭圆
定义
在一个平面内,椭圆(
ellipse
)是到两个顶点的距离之和是常数的点的集合。这两个定点称为椭圆的焦点。椭圆的焦点确定的直线称为焦轴(
focal axis
)。两个焦点的中点称为中心(center
)。椭圆和焦轴的交点称为顶点(vertices
)。
如下图所示,如果焦点是 ,将 表示为 ,那么椭圆上的点 满足方程
为了简化方程,可以把第二项根式移到等式右边,然后平方,将根式分离到等式一遍,再平方,化简,得到 三角形 两个之和大于第三边,那么 ,即 ,那么方程 中的 。
推导方程 的步骤可逆,那么就证明了一个点 满足这样 的方程,那么就满足椭圆的条件 。因此,一个点在椭圆上等价于它的坐标满足方程 。
令 表示 的正根 将 代入方程 方程 说明椭圆关于两个坐标轴、原点对称。它位于由 的矩形内,和坐标轴的交点是 。这些点处的切线垂直于坐标轴,因为从 方程 作隐式求导可以得到 当 时,斜率为 0。当 时,斜率无穷大。
方程 的椭圆的长轴(major axis
)是连接点 的长为 线段。短轴(minor axis
)是连接点 的长为 的线段。 是半长轴(semimajor axis
), 是半短轴(semiminor axis
)。 是
是中心到焦点的距离(center-to-focus distance
)。如果 ,那么这个椭圆就是圆。
例2 椭圆 如下图所示。
半长轴 半短轴 中心到焦点的距离 焦点坐标 顶点 中心 如果交换方程 的 ,得到 长半轴现在是垂直的了,焦点和顶点位于 轴。椭圆两个轴中较长的是长半轴。
中心在原点的椭圆标准形式
焦点在 轴: 中心到焦点距离:
焦点:
顶点:
焦点在 轴: 中心到焦点距离:
焦点:
顶点:
每种情况下, 都是半长轴, 都是半短轴。
双曲线
定义
在一个平面上,双曲线(
hyperbola
)是距离两个定点距离的差是常数的点的集合。两个定点是双曲线的焦点。双曲线的焦点确定的直线称为焦轴(
focal axis
)。两个焦点的中点称为中心(center
)。椭圆和焦轴的交点称为顶点(vertices
)。
如果焦点是 ,差的常数是 ,那么点 在双曲线上等价于
与化简椭圆公式类似,可以把第二项根式移到等式右边,然后平方,将根式分离到等式一遍,再平方,化简,得到 这个和椭圆公式类似,但是三角形 的两边之差,,小于第三边,,所以 小于零。
推导公式 的过程可逆,那么就证明了一个点 满足这样 的方程,那么就满足双曲线的条件,即公式 。那么点在双曲线上等价于其坐标满足方程 。
令 是 的正跟 代入方程 方程 和椭圆公式方程 的差异就在于第二项的正负号,以及如下等式 与椭圆类似,双曲线关于原点、两个坐标轴对称。它与 轴交点是 ,由于对方程式作隐式求导得到 当 时,导数无穷大,所以交点处的切线垂直于 轴。 轴上没有交点。事实上,在 之间,没有任何点满足条件。
直线
是双曲线的渐近线(asymptote
)。与椭圆类似,求渐近线最方便快捷的方式是令方程 右边为零,求解。
例3 方程 如下图所示
中心到焦点的距离 焦点 顶点 中心 渐近线
如果交换方程 的 ,那么焦点和顶点会在 上。求渐近线的方式一样,不过结果变成了 。
中心在原点的双曲线标准形式
焦点在 轴: 中心到焦点距离:
焦点:
顶点:
渐近线:
焦点在 轴: 中心到焦点距离:
焦点:
顶点:
渐近线:
注意,两种双曲线的渐近线系数不同。
我们可以使用 1.2 节的变换原则,使用 替代 ,用 替代 。
例4 证明方程 表示双曲线,并求其焦点、中心和渐近线。
解:转化成标准形式 用 代替 , 代替 就能得到方程 标准形式。这个双曲线向左向上移动了单位距离,那么中心点在 。 那么渐近线是 移动后的焦点坐标是 。
抛物线的反射属性
这个性质来自本小节课后习题 81,证明过程比较简单,但是结论比较重要。
如下图所示,点 在抛物线 。直线 是经过点 的切线。抛物线的焦点是 。直线 经过点 且平行于 轴。
对抛物线隐式求导 所以 那么点 处的斜率 由正切定义 由于 与 轴平行,那么 所以 因为 都是锐角且正切值相等,那么 也就说,从 到 的光线会沿着 反射,反射出去的射线恰好平行于抛物线的轴。