【二次曲线&不变量法】抛物线的另一种包络形成及其定位【仿射特征&度量特征】

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【二次曲线&不变量法】抛物线的另一种包络形成及其定位【仿射特征&度量特征】

2024-01-04 19:08| 来源: 网络整理| 查看: 265

本文完全原创;

主要涉及解析几何知识————二次曲线一般理论:圆锥曲线仿射特征&度量特征;不变量法;转轴&移轴化简二次曲线方程;抛物线的基本几何性质。

首先介绍两种包络线的求法

法一:给定曲线族F(x,y,t)=0,t为参数,假设包络线存在,则包络线含在下列两方程t

消去t后所得曲线F(x,y)=0中【称F(x,y)=0为上述曲线族的判别曲线,需检验】

法二:来自本人读过的解析几何竞赛书,此方法由本人整理出

对某一曲线族,先将其降至一个参数t,整理出关于该参数t的二次以上的方程,该方程恒有实根,故

上述不等式表示曲线F(x,y)及其外部,因此包络线即为临界情况:F(x,y)=0

下文中要用到的则是第二种方法,该方法在处理次数为2次的情况较为方便

定理【源自《圆锥曲线的几何性质》——Trin.1885.(本人对命题加以完善】

平面直角坐标系[O;i,j]中,若直线PQ于x,y轴交于不重合的两点P,Q,且PQ中点M恒在一条不平行于坐标轴的定直线l上,则直线PQ总是与一条定抛物线相切(即包络线为抛物线)。

证明:设定直线l:y=kx+m(显然k,m≠0)

直线PQ:(x/a)+(y/b)=1(a,b≠0)

⇒P(a,0),Q(0,b) ⇒

中点M(a/2,b/2)

代入直线l方程,两边同乘2得b=ka+2m,该式代入PQ方程,降至一个参数a

整理成关于a的二次方程:

该方程恒有实根

上述不等式表示曲线F(x,y)及其外部,于是包络线就是F(x,y)=0,即

这是一条二次曲线,其方程不是标准形式,于是用不变量法判别曲线类型

由I2=0且I3≠0可知该曲线为抛物线!得证!

判断这是条抛物线还远远不够,我们希望获得它的对称轴,开口朝向,焦参数p,焦点,准线的具体位置

对称轴:

首先,由于抛物线的轴为渐近方向的垂直方向的直径,很容易写出:

由于I1≠0,得u=(k,-k²)平行于渐进方向,故u’=( k²,k)垂直于渐进方向

因此对称轴为

整理得

这就是抛物线的对称轴方程了!

效果图如下

红色直线为已知定直线y=kx+m

开口朝向:

因此开口朝向由m的正负决定!

①当m>0时,上式<0,开口朝向为u=(-k,k²),如下图

②当m<0时,上式>0,开口朝向为u=(k,-k²)

焦参数p/焦点/准线:

直接求很麻烦

从它的对称轴方程可看出,该抛物线可能是由一条稍微正常一点的抛物线旋转arctan(-k)得到的,因此坐标轴对应转角θ= arctan(-k),因此sinθ=k/√(k²+1)(这里先假定θ不超过π)

作转轴

把它代入F(x,y)=0化简一下

配方,并移项得

把(k²+1)除过去,把x提出,得

于是由上式可以看出焦参数p= |4km(k²+1)^(-3/2) |

至于焦点和准线的位置,需对km的正负进行分类讨论

当km>0时

F’(x’,y’)=0焦点F’坐标

因此抛物线F(x,y)=0的焦点F(懒得代进去算了.jpg)

准线要方便的多:

F’(x’,y’)=0的准线为

因此F(x,y)=0的准线为

效果图如下

绿色的直线为准线

事实上,当km<0时,准线仍然是y=x/k,由于对称轴和准线方程唯一确定下来了,焦点表达式也唯一确定!

最后解释一下为什么标题中有个“另”字

因为抛物线又一种包络形成,可直接用来定义抛物线:

平面内两定点A,B到一动直线作垂线段AP,BQ;若四边形ABQP的面积为定值【常数】,则动直线的包络为抛物线。

(这个应该人人都知道【bushi

这里不予以证明了【用文中提到的两种方法均可,最后抛物线是上下开口的

专栏到这里就结束了,创作不易,如果觉得有帮助就请支持一下【不胜感激】



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