【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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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: 由 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 即 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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