在前面的模块中,我们学习了抛物线和矩形双曲线,现在将注意力转向它们的”表亲”:椭圆和一般双曲线。这些曲线在自然界中频繁出现,从行星轨道到卫星天线,都有着令人着迷的应用。我们将通过离心率的概念发现这些曲线的统一性,并探索它们的几何性质。

让我们用两种不同方法推导椭圆 a2x2+b2y2=1 在点 P(x1,y1) 处的切线方程。
用隐微分求切线
- 两边对 x 求导:
a22x+b22ydxdy=0
- 解出 dxdy:
dxdy=−a2yb2x
- 在点 P(x1,y1) 处,斜率为:
m=−a2y1b2x1
- 用点斜式 y−y1=m(x−x1):
y−y1=−a2y1b2x1(x−x1)
- 两边乘以 a2y1:
a2y1y−a2y12=−b2x1x+b2x12
-
由于 (x1,y1) 在椭圆上:a2x12+b2y12=1
-
化简后:
a2xx1+b2yy1=1
用参数微分求切线
-
使用参数方程:x=acost,y=bsint
-
求 dxdy:
dxdy=dtdxdtdy=−asintbcost=−asintbcost
- 用点斜式:
y−bsint=−asintbcost(x−acost)
- 化简为:
bxcost+aysint=ab
用参数形式求法线
- 在点 P(acost,bsint) 处
- 法线斜率:bcostasint
- 建立方程:
y−bsint=bcostasint(x−acost)
- 化简为:
axsint−bycost=(a2−b2)costsint
求椭圆 25x2+9y2=1 在 P(5cosθ,3sinθ) 处的法线。
第一步: 用参数微分求 dxdy
dxdy=−5sinθ3cosθ=−5sinθ3cosθ
第二步: 用垂直斜率法则求法线斜率
法线斜率=3cosθ5sinθ
第三步: 用点斜式建立方程
y−3sinθ=3cosθ5sinθ(x−5cosθ)
第四步: 化简为标准形式
5xsinθ−3ycosθ=16sinθcosθ

让我们用离心率定义推导椭圆的标准形式。
已知:
- 焦点 F(c,0)
- 准线 x=ea
- 曲线上的点 P(x,y)
- PMPF=e,其中 0<e<1
第一步: 用距离公式表示 PF
PF=(x−c)2+y2
第二步: 表示 PM
PM=ea−x
第三步: 应用定义
ea−x(x−c)2+y2=e
第四步: 两边平方并化简
(x−c)2+y2=e2(e2a2−e2ax+x2)
第五步: 证明这简化为
a2x2+b2y2=1
其中 b2=a2(1−e2)。
考虑双曲线 H,方程为 a2x2−25y2=1,其中 a 为正常数。设 e 为其离心率。
A 部分: 求 e2 关于 a 的表达式。
B 部分: 直线 l 是 H 的准线,对应 x>0 的分支。点 A 和 A′ 是 l 与渐近线的交点。求 ∣AA′∣ 关于 e 的表达式。
C 部分: 点 F 是 H 的焦点,对应 x<0 的分支。已知三角形 AFA′ 的面积为 3164,证明:
30a3−164a2+375a−4100=0
D 部分: 用代数方法证明 a=320 是唯一可能的值。
关键学习点:
- 离心率与常数 a 和 b 的关系
- 利用渐近线求与准线的交点
- 涉及焦点和准线的面积计算
考虑椭圆 E,方程为 9x2+4y2=1,以及直线 l:y=kx−3,其中 k 为常数。让我们探索如何求 E 和 l 的交点所形成弦的中点轨迹。
逐步探究:
1. 求交点
- 将 y=kx−3 代入椭圆方程
- 证明 x 满足:(9k2+4)x2−54kx+45=0
- 这告诉我们交点的数量是多少?
2. 定位中点
- 若 P(x1,y1) 和 Q(x2,y2) 是交点
- 中点 M 的坐标为 (2x1+x2,2y1+y2)
- 对于二次方程 ax2+bx+c=0,根之和 =−ab
3. 求轨迹
- 表示 M 的 x 坐标:x=9k2+427k
- 表示 M 的 y 坐标:y=−9k2+412
- 消去参数 k 求轨迹方程
关键洞察:
- 二次方程帮助我们无需显式求解即可找到交点
- 根的和与积提供了关于中点的信息
- 最终轨迹形式为 x2+py2=qy,其中 p 和 q 为常数
解答: 轨迹为 x2+49y2=−427y。
考虑抛物线 y2=4ax。设 P(ap2,2ap) 和 Q(aq2,2aq) 是抛物线上的两点,R 是它们法线的交点。弦 PQ 过焦点 (a,0)。
(a) 求点 R 关于 p 和 q 的坐标。
(b) 证明 pq=−1。
(c) 证明 R 的轨迹是方程为 y2=a(x−3a) 的抛物线。
解答:
(a) 求 R 的坐标:
- P 处的法线:y+px=2ap+ap3
- Q 处的法线:y+qx=2aq+aq3
- 联立方程求解:
(p−q)x=2a(p−q)+a(p3−q3)
x=2a+a(p2+pq+q2)
y=−apq(p+q)
(b) 证明 pq=−1:
由于 P、Q 和 F(a,0) 共线:
ap2−a2ap−0=aq2−a2aq−0
p2−12p=q2−12q
p(q2−1)=q(p2−1)
pq2−p=qp2−q
pq2−qp2=p−q
pq(q−p)=p−q
pq=−1
(c) 求 R 的轨迹:
利用 pq=−1:
x=3a+a(p+q)2
y=a(p+q)
令 k=p+q,则:
x=3a+ak2
y=ak
消去参数 k:
y2=a(x−3a)
因此,R 的轨迹是方程为 y2=a(x−3a) 的抛物线。
椭圆 E 的方程为 49x2+b2y2=1,其中 b 为常数且 0<b<7。椭圆的离心率为 e。
(a) 仅用 e 表示:
已知:
- 点 P(x,y) 在 E 上且 x>0
- 点 S 是 E 在正 x 轴上的焦点
- 直线 l 是 E 与正 x 轴相交的准线
- 点 M 在 l 上,使得过 P 和 M 的直线平行于 x 轴
(b) 对于 E 上 x>0 的点 P(x,y),求:
- PS2 关于 e、x 和 y 的表达式
- PM2 关于 e 和 x 的表达式
(c) 由此证明 b2=49(1−e2)。
(d) 已知 E 与 y 轴交于 (0,±43),确定 e 的值。
(e) 已知 P 的 x 坐标为 27,确定三角形 OPM 的面积,其中 O 为原点。
双曲线 H 的方程为 a2x2−b2y2=1。
(a) 用微积分证明,H 在点 (acoshθ,bsinhθ) 处的切线方程可写为:
xbcoshθ−yasinhθ=ab
(b) 直线 l1 是 H 在点 (acoshθ,bsinhθ) 处的切线,θ=0。已知 l1 与 x 轴交于点 P,用 a 和 θ 表示 P 的坐标。
(c) 直线 l2 是 H 在点 (a,0) 处的切线。已知 l1 和 l2 交于点 Q,用 a、b 和 θ 表示 Q 的坐标。
(d) 证明,当 θ 变化时,PQ 中点的轨迹方程为:
x(4y2+b2)=ab2
考虑方程为 xy=1 的双曲线。我们将通过坐标变换证明它等价于标准形式的双曲线。
第一部分:矩阵表示
(a) 证明 xy=1 可写为二次型:
[xy][021210][xy]=1
(b) 解释为什么这个矩阵不是对角形式。
第二部分:坐标变换
(a) 已知:
[xy]=[2121−2121][XY]
证明:
[xy]=[XY][21−212121]
(b) 在此变换下,证明方程变为:
2X2−2Y2=1
延伸问题: 如果考虑曲线 xy=k(k=0),会发生什么?k 的值如何影响双曲线的形状?