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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 轴上,准线是直线 。如下图所示。

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

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 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

表示 的正根 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 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 ,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

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 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 ,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 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 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 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。