二次曲线系的探讨20121016.doc
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关于二次曲线系的几点说明(2012年10月16日)
山东临沂沂州实验学校 李守峰
关于二次曲线系的一点探讨
设表示二次曲线,表示一条直线。
则曲线至多与同类。
也就是说若表示圆,则曲线至多表示圆;
若表示椭圆,则曲线至多表示椭圆;
若表示双曲线,则曲线至多表示双曲线;
若表示抛物线,则曲线至多表示抛物线。
上述结论告诉我们:过两交点的二次曲线并非包含所有的二次曲线,而是与“母曲线”相似的曲线
设,均表示二次曲线。
则曲线至多与或同类的二次曲线。
两条相交直线或平行直线的积为退化的二次曲线
当它不含项时,可与对称轴平行于坐标轴的二次曲线同类。
对称轴平行于坐标轴的二次曲线,在直角坐标系中的方程不含项。
设C为二次曲线,AB为二次曲线的任意弦,以直线AB为x轴,AB的垂直平分线为y轴,若C在此坐标系下的方程为,则不含x的一次项。
设由二次曲线和直线决定的关于的二次齐次式为,则,
特别的:当直线与二次曲线的两交点与原点的连线互相垂直时,也就是说单二次项的系数之和等于0;
当直线与二次曲线的两交点与原点的连线关于坐标轴对称时,也就是说齐次式中不含项。
下面举例说明应用中应该注意的问题
(孙铭问题)如图,椭圆的方程为,
为椭圆上一定点,弦, 求三角形面积的最大值
孙铭思考方式:设,
则
则二次曲线可表示为(1)
(2)
由曲线系的思想可知,过A、B、C三点的二次曲线可设为
(3)
让(3)表示圆,则(3)即为三角形的外接圆,且BC为直径。
但事实上对任意的k,(3)式中含有项,也就是说(3)不能表示圆,而我们知道三角形必有外接圆,(3)式有一定过A、B、C三点。这就产生了矛盾。这是为什么呢?
上述是孙铭提出的问题,我一时也感觉纳闷!正是有了这个问题,我才对这类问题进行了一番思考,得出上述结论。
解疑:因为方程(1)并不是圆,(2)是二次曲线的对称形式(少xy项),因此有(1)(2)构成的曲线系一定不能够成圆。也就是说经过三点ABC
的二次曲线有两类,一是含xy项的,而是不含xy项的,而含xy项的必须有含xy项的二次曲线生成;而不含xy项的二次曲线必须由不含xy项的二次曲线生成,这个问题就相当于相于向量线性表示只能生成与基向量同类的向量,并非过一点的所有向量。
如a(1,0)+b(0,1)可表示过原点的所有二维向量,而过原点的向量还有三维的,他显然不包含这种情况不。进一步说曲线(3)一定经过A、B、C三点,但经过ABC三点的二次曲线未必都是曲线(3)的形式。至此,问题的原因找到了,但是如何解决这个问题呢?
为此,构造如下的方程即可解决
过点B作直线AC关于x轴的对称直线,
因为,
则
这时二次曲线可表示为
即:此方程不含xy项,而且经过A、B、C、D四点,当然经过A、B、C三点
至此可设经过ABCD四点的另一类二次曲线为
让项的系数相等,即得经过ABC三点的圆的方程。
关于曲线系的两类应用
若表示齐次二次曲线,则可表示为关于或的一元二次方程,即关于曲线上的点于坐标原点连线的直线的斜率或斜率的倒数的一元二次方程
1.过二次曲线上任意一点A作互相垂直的两条弦AB、AC,则过另两端点的直线BC必过定点Q;且过点A的二次曲线的切线垂直于AQ(或者AQ为二次曲线的法线)。
证明:设椭圆
(1)
直线 (2)
(因为直线一定不能过A点)
则由(1),(2)构造齐次式得:
整理得:
因为,所以 (3)
又因为椭圆经过(0,0)
所以 即 (4)
带入(3)并整理得
即: 所以直线恒过定点
若曲线为标准方程,则定点为,即:
若转化为标准方程,,其上任一定点,,则直线必过定点
利用求导易知曲线在的切线斜率为,所以它们的斜率之积等于,故AQ为法线!
说明:对于抛物线而言,设,
则有,
即:
因为,所以上式中的y方的系数与x方的系数之和为0
所以
注意到:所以
所以,所以直线BC恒过定点Q
上述结论转化为标准方程,点,则定点Q
,
利用求导易知曲线在的切线斜率为,所以它们的斜率之积等于,故AQ为法线!
2.经过有心二次曲线的中心作两条互相垂直的射线,则射线与曲线的两交点的直线到中心的距离为定值
证明:设 (1)
直线 (2)
由(1)(2)构成的齐次式为
因为,所以
所以为定值
3.过平面内任一点作两条关于二次曲线的直线,使它们与对称轴对称成等角,则四交点构成的四边形的对角线及另一组对边所在的直线也与对称轴成等角。
证明:
设
动直线
则
又设
由曲线系理论可知,存在实常数,
使得
即:
整理得
比较的系数得 (1)
比较的系数得 (2)
比较的系数得
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