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第一章:圆锥曲线概论

2022-07-29 19:16 作者:呆哥数学  | 我要投稿

圆锥曲线的定义是:由一个平面截二次曲面得到的曲线,实际上就是把三维降成了二维得到了圆锥曲线。而二次曲面实际上是有相当多的,实际上是由一组三元二次方程

f(x)%3Da_%7B11%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B12%7D%20x%20y%2Ba_%7B22%7D%20y%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B13%7D%20x%20z%2Ba_%7B33%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B23%7D%20y%20z%2Ba_%7B1%7D%20x%2Ba_%7B2%7D%20y%2Ba_%7B3%7D%20z%2Ba_%7B0%7D

表示的图形,前6项为二次型(但二次矩阵未必正定,因为顺序主子式不一定全正),下面笔者将一一介绍。

1、圆柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0Ax%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0Ax%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0Ay%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示母线平行于z轴、y轴、x轴的圆柱面,这个很常见,就是我们平时所用的圆柱,上下底面是圆心,侧面展开后为长方形。我们只需要利用一个垂直于母线的平面去截圆柱面,即可得到圆。

2、椭圆柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

这里分别表示的是母线平行于z轴、y轴、x轴的椭圆柱面,它与圆柱面的区别就在于:上下底面由圆变成了椭圆,其余的是一样的,如此一来,只需要用一个垂直于母线的平面去截椭圆柱面,即可得到椭圆。

3、双曲柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示母线(两支双曲柱面的最低位置所在)平行于z轴、y轴、x轴的双曲柱面,上下底面由圆变成了双曲线,其余的是一样的。只需要用一个垂直于母线的平面去截双曲柱面,即可得到双曲线。

4、抛物柱面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0Ay%5E%7B2%7D%3D2%20a%20x%20%5C%5C%0Ax%5E%7B2%7D%3D2%20a%20z%20%5C%5C%0Ay%5E%7B2%7D%3D2%20a%20z%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示的是母线(位于抛物柱面最低位置的线)平行于z轴、y轴、x轴的抛物柱面,上下底面由圆变成了双曲线,其余的是一样的。只需要用一个垂直于母线的平面去截抛物柱面,即可得到抛物线。


5、球面:

x%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3DR%5E%7B2%7D

球是对称的二次平面,所以只有一个方程。

6、椭球面:

%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3DR%5E%7B2%7D

同样是个对称的二次平面,所以只有一个方程。

7、椭圆抛物面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D2%20z%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20y%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20x%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示开口方向平行于z轴、y轴、x轴的椭圆抛物面,由抛物线以椭圆方式绕着它与坐标轴平行的轴旋转而成,下图为绕z轴形成:

8、圆锥面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3Dz%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3Dy%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3Dx%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示开口方向平行于z轴、y轴、x轴的圆锥面,实则是由两条直线绕着它与坐标轴平行的轴旋转而成。

9、椭圆锥面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示开口方向平行于z轴、y轴、x轴的椭圆锥面,实则是由直线以椭圆方式绕着它与坐标轴平行的轴旋转而成,下图为绕z轴形成。

10、单叶双曲面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%2B%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%3D1%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示开口方向平行于z轴、y轴、x轴的单叶双曲面,特点是上下均呈双曲线形状,之间有个连通口,且只有一个面,故称单叶。

11、双叶双曲面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D1%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示开口方向平行于z轴、y轴、x轴的单叶双曲面,它的特点是上下均呈双曲线形状,之间无连通口,有两个面,故称双叶。

12、双曲抛物面:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D2%20z%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20y%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7Bz%5E%7B2%7D%7D%7Bc%5E%7B2%7D%7D%3D2%20x%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

分别表示开口方向平行于z轴、y轴、x轴的双曲抛物面,它由多个不同的双曲线叠加而成,特点是呈现马鞍形。


以上就是十二个二次曲面了,实际上还有环面,但它并不属于二次曲面:

这是因为环面方程为:

%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Barray%7D%7Bl%7D%0A%5Cleft(R-%5Csqrt%7Bx%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%7D%5Cright)%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%3Dr%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cleft(R-%5Csqrt%7Bx%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%5Cright)%5E%7B2%7D%2By%5E%7B2%7D%3Dr%5E%7B2%7D%20%5C%5C%0A%5Cleft(R-%5Csqrt%7By%5E%7B2%7D%2Bz%5E%7B2%7D%7D%5Cright)%5E%7B2%7D%2Bx%5E%7B2%7D%3Dr%5E%7B2%7D%0A%5Cend%7Barray%7D%5Cright.

这个并不是二次型,自然也就不属于二次曲线。此外,三维方程在大学数学中被广泛应用于三重积分和高等代数,这里我们只是对方程和图片作简单介绍来引出下文。话不多说,来进入高中圆锥曲线的正题。


圆锥曲线标准方程

前面我们说过了二维圆锥曲线生成方法,是由三维曲线的截面得到的。而高中圆锥曲线主要是四个,即我们前面各柱面所截的:圆、椭圆、双曲线、抛物线。

所截出来的面不再受到三维轴z轴的影响,自然不再含有z,也就是说,若二次曲线定义式为:

f(x)%3Da_%7B11%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B12%7D%20x%20y%2Ba_%7B22%7D%20y%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B13%7D%20x%20z%2Ba_%7B33%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B23%7D%20y%20z%2Ba_%7B1%7D%20x%2Ba_%7B2%7D%20y%2Ba_%7B3%7D%20z%2Ba_%7B0%7D%3D0

则降为二维之后可得到标准方程:

f(x)%3Da_%7B11%7D%20x%5E%7B2%7D%2B2%20a_%7B12%7D%20x%20y%2Ba_%7B22%7D%20y%5E%7B2%7D%2Ba_%7B33%7D%20x%5E%7B2%7D%2Ba_%7B1%7D%20x%2Ba_%7B2%7D%20y%2Ba_%7B0%7D%3D0

但是根据我们的记忆,应该是不存在xy项的呀?实际上,我们平时所见的圆锥曲线确实是这样的。如果我们留着项去画图,将会得到这样的图像:

简单来说,就是有xy项时,圆锥曲线将会产生一定角度的旋转,考试中把椭圆、双曲线、抛物线默认全部关于原坐标轴对称,也就是默认不会旋转了。






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