在我之前的探讨中,我们深入研究了圆锥曲线的起源及其分类,并列举了它们各自的标准方程。
表一:圆锥曲线的标准形式
这些方程有一个共同点,那就是它们的图形中心都位于直角坐标系的原点,并且都关于坐标轴对称,同时方程中不存在xy的乘积项。
那么,是否存在一种通用的形式能够统一表达上述圆锥曲线的方程呢?答案是肯定的。
设二元二次方程为:
Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F=0 (1)
这个方程可以作为圆锥曲线的通式,其中A,B, C, D, E, F均为实数。
(1) 式通过坐标的平移或旋转变换,可以转化为表一中的标准表达式。
讨论1:如果B=0, 那么Ax^2+ Cy^2+Dx+Ey+F=0, (2)
这个方程通过配方法可以转换成圆锥曲线的对称轴平行于x轴或y轴(特殊情况可能是直线或一点)的形式。
如果A或C中有一个为零,则曲线的形式为抛物线,例如2x^2-4xy+8y^2+12=0
经过配方后,方程变为(x-2)^2=8(y-1),这是顶点在(2,1)焦点到准线的距离p=4的抛物线。如图1:
图一
方程式(2)通过平移可以转换成表一的标准形式。
平移的公式为: x=x’+h
y=y’+k (3)
其中(x, y)是(1)式的原坐标,(x’, y’)是平移后的新坐标。通过下图可以清晰地展示点P在新旧坐标之间的关系,其中O‘(h, k)是新坐标原点在旧坐标系中的坐标。
图2:坐标轴平移
讨论2:如果A, C同为正数或负数,B=0,则式子(1)为椭圆的表达式。
例如:9x^2 + 4y^2- 36x+ 24y+ 36=0,它经过配方可变成:
利用平移原理,可知它在新坐标是符合椭圆的标准方程, 只要设x’=x-2, y’=y+3, 即坐标平移到(2,-3)这点就满足标准形式。
图3
讨论3:如果A,C是异号,B=0,则是(1)是双曲线的方程,举例如下:
9x^2 – 162y^2 + 36x+ 32y– 124=0,将其配方可得:
根据平移公式可知h=-2, k=1, 即新坐标原点,也是双曲线的轴对称中心为(-2,1),其中长半轴a=4,短半轴(虚轴)=3,曲线如下:
图4
讨论4:如果B≠0,通过坐标轴的旋转变换可去掉xy乘积项。高中学习了坐标旋转变换的公式:
x=x’cosθ-y’sinθ
y=x’sinθ+y’cosθ (4)
该公式根据下图可自行推导。
图5:坐标轴旋转
将旋转坐标公式(4)带入(1)中推导会得出新坐标系下的方程:
A’x’^2+Bx’y’+Cy’^2+Dx’+Ey’+F=0 (5)
将(5)式与(1)式的系数对应相等,然后让B’=0, 可推出:
若A=C,则旋转π/4, 就可以消除xy乘积项。A≠C可得下面的系数转换式子:
若A≠C,利用(6)式子可得出θ角,然后按上面的算式求A’, B‘,C’,D‘,E’, F’. 但实际上利用三角变换可以不求θ角,而直接算出新系数。因为知道cot2θ的值可求得tanθ, 随后利用tanθ的结果带入上面的系数公式,请读者利用三角函数的知识自行推导。
举个例子:13x^2 − 6xy + 7y^2 − 256 = 0.
在这个等式中,A=13, B= -6√3, C= 7, D= 0, E= 0, F= -256.
cot 2θ= (A-C)/(B) = (-6√3) 可得θ=π/3, 带入旋转坐标转换的公式中可得:
A’=4, B’=0, C’=16, D’=0, E’=0, F’=F. 由此可得方程:
其曲线图形如下:
图6
思考一下,xy=1怎样通过坐标转化,最后会得到什么圆锥曲线?
最后讨论Ax^2+Bxy+ Cy^2+Dx+Ey+F=0系数满足什么条件会是椭圆,双曲线或抛物线。
令判别式Δ=B^2-4AC, 当Δ=0时为抛物线(特殊形式为两平行直线)
当Δ<0时为椭圆(特殊形式为点)
当Δ>0时为双曲线(特殊形式是两相交直线)
这个判别式的记忆可参照离心率e,只是结果由1换成0,e换成Δ。
除了特殊形式,还可以给出这样的结论:
二元二次方程的曲线是圆锥曲线,反过来圆锥曲线的方程是二元二次方程。