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FP3 第二章:进一步坐标系

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。

椭圆图示

让我们用两种不同方法推导椭圆 x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1 在点 P(x1,y1)P(x_1, y_1) 处的切线方程。

用隐微分求切线

  1. 两边对 xx 求导:

2xa2+2yb2dydx=0\frac{2x}{a^2} + \frac{2y}{b^2}\frac{dy}{dx} = 0

  1. 解出 dydx\dfrac{dy}{dx}

dydx=b2xa2y\frac{dy}{dx} = -\frac{b^2x}{a^2y}

  1. 在点 P(x1,y1)P(x_1, y_1) 处,斜率为:

m=b2x1a2y1m = -\frac{b^2x_1}{a^2y_1}

  1. 用点斜式 yy1=m(xx1)y - y_1 = m(x - x_1)

yy1=b2x1a2y1(xx1)y - y_1 = -\frac{b^2x_1}{a^2y_1}(x - x_1)

  1. 两边乘以 a2y1a^2y_1

a2y1ya2y12=b2x1x+b2x12a^2y_1y - a^2y_1^2 = -b^2x_1x + b^2x_1^2

  1. 由于 (x1,y1)(x_1, y_1) 在椭圆上:x12a2+y12b2=1\dfrac{x_1^2}{a^2} + \dfrac{y_1^2}{b^2} = 1

  2. 化简后:

xx1a2+yy1b2=1\frac{xx_1}{a^2} + \frac{yy_1}{b^2} = 1

用参数微分求切线

  1. 使用参数方程:x=acostx = a\cos ty=bsinty = b\sin t

  2. dydx\dfrac{dy}{dx}

dydx=dydtdxdt=bcostasint=bcostasint\frac{dy}{dx} = \frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}} = \frac{b\cos t}{-a\sin t} = -\frac{b\cos t}{a\sin t}

  1. 用点斜式:

ybsint=bcostasint(xacost)y - b\sin t = -\frac{b\cos t}{a\sin t}(x - a\cos t)

  1. 化简为:

bxcost+aysint=abbx\cos t + ay\sin t = ab

用参数形式求法线

  1. 在点 P(acost,bsint)P(a\cos t, b\sin t)
  2. 法线斜率:asintbcost\dfrac{a\sin t}{b\cos t}
  3. 建立方程:

ybsint=asintbcost(xacost)y - b\sin t = \frac{a\sin t}{b\cos t}(x - a\cos t)

  1. 化简为:

axsintbycost=(a2b2)costsintax\sin t - by\cos t = (a^2 - b^2)\cos t\sin t

求椭圆 x225+y29=1\dfrac{x^2}{25} + \dfrac{y^2}{9} = 1P(5cosθ,3sinθ)P(5\cos\theta, 3\sin\theta) 处的法线。

第一步: 用参数微分求 dydx\dfrac{dy}{dx}

dydx=3cosθ5sinθ=3cosθ5sinθ\frac{dy}{dx} = \frac{3\cos\theta}{-5\sin\theta} = -\frac{3\cos\theta}{5\sin\theta}

第二步: 用垂直斜率法则求法线斜率

法线斜率=5sinθ3cosθ\text{法线斜率} = \frac{5\sin\theta}{3\cos\theta}

第三步: 用点斜式建立方程

y3sinθ=5sinθ3cosθ(x5cosθ)y - 3\sin\theta = \frac{5\sin\theta}{3\cos\theta}(x - 5\cos\theta)

第四步: 化简为标准形式

5xsinθ3ycosθ=16sinθcosθ5x\sin\theta - 3y\cos\theta = 16\sin\theta\cos\theta

双曲线图示

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)F(c,0)
  • 准线 x=aex = \dfrac{a}{e}
  • 曲线上的点 P(x,y)P(x,y)
  • PFPM=e\dfrac{PF}{PM} = e,其中 0<e<10 < e < 1

第一步: 用距离公式表示 PFPF

PF=(xc)2+y2PF = \sqrt{(x-c)^2 + y^2}

第二步: 表示 PMPM

PM=aexPM = \frac{a}{e} - x

第三步: 应用定义

(xc)2+y2aex=e\frac{\sqrt{(x-c)^2 + y^2}}{\frac{a}{e} - x} = e

第四步: 两边平方并化简

(xc)2+y2=e2 ⁣(a2e22axe+x2)(x-c)^2 + y^2 = e^2\!\left(\frac{a^2}{e^2} - \frac{2ax}{e} + x^2\right)

第五步: 证明这简化为

x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1

其中 b2=a2(1e2)b^2 = a^2(1-e^2)

考虑双曲线 HH,方程为 x2a2y225=1\dfrac{x^2}{a^2} - \dfrac{y^2}{25} = 1,其中 aa 为正常数。设 ee 为其离心率。

A 部分:e2e^2 关于 aa 的表达式。

B 部分: 直线 llHH 的准线,对应 x>0x > 0 的分支。点 AAAA'll 与渐近线的交点。求 AA|AA'| 关于 ee 的表达式。

C 部分:FFHH 的焦点,对应 x<0x < 0 的分支。已知三角形 AFAAFA' 的面积为 1643\dfrac{164}{3},证明:

30a3164a2+375a4100=030a^3 - 164a^2 + 375a - 4100 = 0

D 部分: 用代数方法证明 a=203a = \dfrac{20}{3} 是唯一可能的值。

关键学习点:

  • 离心率与常数 aabb 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 EE,方程为 x29+y24=1\dfrac{x^2}{9} + \dfrac{y^2}{4} = 1,以及直线 l:y=kx3l: y = kx - 3,其中 kk 为常数。让我们探索如何求 EEll 的交点所形成弦的中点轨迹。

逐步探究:

1. 求交点

  • y=kx3y = kx - 3 代入椭圆方程
  • 证明 xx 满足:(9k2+4)x254kx+45=0(9k^2 + 4)x^2 - 54kx + 45 = 0
  • 这告诉我们交点的数量是多少?

2. 定位中点

  • P(x1,y1)P(x_1,y_1)Q(x2,y2)Q(x_2,y_2) 是交点
  • 中点 MM 的坐标为 (x1+x22,y1+y22)\left(\dfrac{x_1+x_2}{2}, \dfrac{y_1+y_2}{2}\right)
  • 对于二次方程 ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0,根之和 =ba= -\dfrac{b}{a}

3. 求轨迹

  • 表示 MMxx 坐标:x=27k9k2+4x = \dfrac{27k}{9k^2+4}
  • 表示 MMyy 坐标:y=129k2+4y = -\dfrac{12}{9k^2+4}
  • 消去参数 kk 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=qyx^2 + py^2 = qy,其中 ppqq 为常数

解答: 轨迹为 x2+94y2=274yx^2 + \dfrac{9}{4}y^2 = -\dfrac{27}{4}y

考虑抛物线 y2=4axy^2 = 4ax。设 P(ap2,2ap)P(ap^2, 2ap)Q(aq2,2aq)Q(aq^2, 2aq) 是抛物线上的两点,RR 是它们法线的交点。弦 PQPQ 过焦点 (a,0)(a,0)

(a) 求点 RR 关于 ppqq 的坐标。

(b) 证明 pq=1pq = -1

(c) 证明 RR 的轨迹是方程为 y2=a(x3a)y^2 = a(x-3a) 的抛物线。

解答:

(a)RR 的坐标:

  • PP 处的法线:y+px=2ap+ap3y + px = 2ap + ap^3
  • QQ 处的法线:y+qx=2aq+aq3y + qx = 2aq + aq^3
  • 联立方程求解:

(pq)x=2a(pq)+a(p3q3)(p-q)x = 2a(p-q) + a(p^3-q^3)

x=2a+a(p2+pq+q2)x = 2a + a(p^2 + pq + q^2)

y=apq(p+q)y = -apq(p+q)

(b) 证明 pq=1pq = -1

由于 PPQQF(a,0)F(a,0) 共线:

2ap0ap2a=2aq0aq2a\frac{2ap-0}{ap^2-a} = \frac{2aq-0}{aq^2-a}

2pp21=2qq21\frac{2p}{p^2-1} = \frac{2q}{q^2-1}

p(q21)=q(p21)p(q^2-1) = q(p^2-1)

pq2p=qp2qpq^2 - p = qp^2 - q

pq2qp2=pqpq^2 - qp^2 = p - q

pq(qp)=pqpq(q-p) = p - q

pq=1pq = -1

(c)RR 的轨迹:

利用 pq=1pq = -1

x=3a+a(p+q)2x = 3a + a(p+q)^2

y=a(p+q)y = a(p+q)

k=p+qk = p+q,则:

x=3a+ak2x = 3a + ak^2

y=aky = ak

消去参数 kk

y2=a(x3a)y^2 = a(x-3a)

因此,RR 的轨迹是方程为 y2=a(x3a)y^2 = a(x-3a) 的抛物线。

椭圆 EE 的方程为 x249+y2b2=1\dfrac{x^2}{49} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1,其中 bb 为常数且 0<b<70 < b < 7。椭圆的离心率为 ee

(a) 仅用 ee 表示:

  • 焦点坐标
  • 准线方程

已知:

  • P(x,y)P(x, y)EE 上且 x>0x > 0
  • SSEE 在正 xx 轴上的焦点
  • 直线 llEE 与正 xx 轴相交的准线
  • MMll 上,使得过 PPMM 的直线平行于 xx

(b) 对于 EEx>0x > 0 的点 P(x,y)P(x,y),求:

  • PS2PS^2 关于 eexxyy 的表达式
  • PM2PM^2 关于 eexx 的表达式

(c) 由此证明 b2=49(1e2)b^2 = 49(1-e^2)

(d) 已知 EEyy 轴交于 (0,±43)(0,\pm 4\sqrt{3}),确定 ee 的值。

(e) 已知 PPxx 坐标为 72\dfrac{7}{2},确定三角形 OPMOPM 的面积,其中 OO 为原点。

双曲线 HH 的方程为 x2a2y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2} - \dfrac{y^2}{b^2} = 1

(a) 用微积分证明,HH 在点 (acoshθ,bsinhθ)(a\cosh \theta, b\sinh \theta) 处的切线方程可写为:

xbcoshθyasinhθ=abxb\cosh \theta - ya\sinh \theta = ab

(b) 直线 l1l_1HH 在点 (acoshθ,bsinhθ)(a\cosh \theta, b\sinh \theta) 处的切线,θ0\theta \neq 0。已知 l1l_1xx 轴交于点 PP,用 aaθ\theta 表示 PP 的坐标。

(c) 直线 l2l_2HH 在点 (a,0)(a,0) 处的切线。已知 l1l_1l2l_2 交于点 QQ,用 aabbθ\theta 表示 QQ 的坐标。

(d) 证明,当 θ\theta 变化时,PQPQ 中点的轨迹方程为:

x(4y2+b2)=ab2x(4y^2 + b^2) = ab^2

挑战题(选做):坐标变换与圆锥曲线

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考虑方程为 xy=1xy = 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=1xy = 1 可写为二次型:

[xy][012120][xy]=1\begin{bmatrix} x & y \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} = 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]=[12121212][XY]\begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} & -\frac{1}{\sqrt{2}} \\ \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} X \\ Y \end{bmatrix}

证明:

[xy]=[XY][12121212]\begin{bmatrix} x & y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} X & Y \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}} \\ -\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}} \end{bmatrix}

(b) 在此变换下,证明方程变为:

X22Y22=1\frac{X^2}{2} - \frac{Y^2}{2} = 1

延伸问题: 如果考虑曲线 xy=kxy = kk0k \neq 0),会发生什么?kk 的值如何影响双曲线的形状?