校理 圓錐曲線在平面內的統一方程

2022-02-22 15:36:57 字數 1382 閱讀 2556

圓錐曲線的一般方程

\[ax^2+by^2+cxy+dx+ey+f=0

\]體現了圓錐曲線的普遍性質,但同時也包含了其退化形式,如圓、直線等。這裡我們所要做的,是用能夠體現圓錐曲線的三種形式(橢圓、雙曲線、拋物線)的特徵的引數(離心率 、焦點、焦準距、傾斜角)在平面內表示出任意的圓錐曲線。

首先,需要用到圓錐曲線在極座標中的標準方程

\[\rho=\frac\quad(e>0,p>0)

\]這個方程表示乙個軸所在直線與極軸所在直線重合的圓錐曲線。其中極點為拋物線焦點,或橢圓左焦點,或拋物線右焦點。

這裡我們規定其軸的方向向量\(\vec\),方向向右(即極軸的正方向),方便後文的解釋說明。

現在將方程對應的曲線繞極點逆時針旋轉\(\alpha\)角(\(0\leq\alpha<2\pi\)),此時方程變為

\[\rho=\frac

\]與極軸的夾角對應為\(\alpha\)。展開方程,化簡為

\[\rho(1-e\cos\theta\cos\alpha-e\sin\theta\sin\alpha=ep

\]以極軸端點為原點,極軸為\(x\)軸方向,建立平面直角座標系,則有

\[\begin\rho\cos\theta=x\\\rho\sin\theta=y\end

\]代入方程,化簡,得到如下方程:

\[e|x\cos\alpha+y\sin\alpha+p|-\sqrt=0

\]橫向平移\(g\)個單位,縱向平移\(h\)個單位,使圓錐曲線焦點從\((0,0)\)平移到\((g,h)\),對應方程為:

\[e|(x-g)\cos\alpha+(y-h)\sin\alpha+p|=\sqrt

\]以上所得方程即為圓錐曲線在平面內的統一方程(以\(e\)為離心率,\(p\)為焦準距)。

當\(e>1\)時,表示以\(f(g,h)\)為乙個焦點,\(\alpha\)為\(\vec\)與極軸所夾角的雙曲線。

當\(e=1\)時,表示以\(f(g,h)\)為焦點,\(\alpha\)為\(\vec\)與極軸所夾角的拋物線。

當\(e<1\)時,表示以\(f(g,h)\)為乙個焦點,\(\alpha\)為\(\vec\)與極軸所夾角的橢圓。

同時,我們也可看到,當\(e=0\)時,方程表示點\(f(g,h)\)。這是圓錐曲線的一種退化形式。

分析這個方程,可以發現僅有五個引數\((e,p,\alpha,g,h)\),就可以在平面內表示任意乙個圓錐曲線,這恰能說明平面內五點可以確定乙個圓錐曲線。(不包含其退化形式)

此外,根據這個方程還可以推導出其他相關量。如\(f(g,h)\)對應的準線方程

\[\frac x+y+p\sqrt}-\frac g-h=0

\]\(\vec\)所在直線方程:

\[(x-g)\tan\alpha=y-h.

\]

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