开场是一首大家熟悉的溜冰圆舞曲 从纯粹几何的角度来研究圆锥曲线,发现椭圆、抛物线、双曲线都遵从统一的性质,截线上的点到焦点的距离和到准线的距离之比是一个定值,这个定值由截平面的倾斜程度来决定:
上式中的θ角和α角分别是圆锥曲面的母线与轴线之间、截平面与轴线之间的夹角。 这里的“焦点”就是下图中丹德林小球和截平面的切点,称这个切点为焦点,是在发现圆锥曲线的光学性质、并把曲线解析化表达之后才确定下来的。 准线是指图中截平面和丹德林小球球小圆所在平面的交线。 如果我们把立体图形进行适当简化,就可以非常清楚的看到这些截线的准线位置: 椭圆有两条准线。分布在长轴两端的外侧,且关于椭圆中心点对称。 抛物线只有一条准线,在抛物线顶点外侧 双曲线有两条准线,分别在每一支曲线顶点的外侧,且关于双曲线的对称点对称。 引入解析几何之后,因为只是在截平面上研究曲线的性质,所以圆锥曲线的统一性质中,那个和轴线夹角的余弦比值e,就失去了几何直观上存在的基础,我们现在把这个比值重新定义为离心率: 比值的基础还是不变,依旧是圆锥曲线上任一点到一个定点与到定直线距离的比值,不过这个比值的计算方法,按照新的设定,被定义为c/a. 从几何关系推导出的e和这个重新定义的离心率e其实是同一个值,也就是说,下列等式关系是存在的: 我们这里以椭圆为例。 从纯粹几何的角度,可以推导出定长和焦距的直接值(推导过程较为繁复,我这里直接引用结论): 设图中: 就有: 以及焦距2c(两定点之间的距离): 所以: 当然,你也可以采用投影的方法,把立体几何中的数据投影到平面图形中,来推导上述等式: 上图右图中,如果我们在椭圆的中心点做一条短轴,它和长轴相交于M点,此时短轴的长度等于把椭圆放平之后通过M点的圆的直径长度,也就是如下图所示: 此时: 投影到左图中,就会存在: 左图中,根据正弦定理: So: 因为: 上式整理后就可以得到: 继续整理可得: 这个证明方法显得很精巧,是在推荐给我的一个视频上偶然看到的,因为很少看到类似的证明,所以感觉很惊奇。在此向这位视频发布者致敬! 通过以上信息,我们此时可以确信: 有了这个确定的等式,新定义的离心率就能和那些从几何推导出来的性质顺畅的沟通起来,这样的话,我们就可以在平面上,通过解析几何的方式,准确地标定出准线的位置。 至于这些准线的准确位置在哪,方程又是什么,我们下篇短文再继续。
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