几何 · 圆锥曲线

圆锥曲线

圆锥曲线是平面截双圆锥所得的曲线。转动截平面,观察圆、椭圆、抛物线和双曲线怎样相互过渡。

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圆锥曲线与本页画面

圆锥曲线(又称二次曲线)是平面与双圆锥的交线。双圆锥是两个圆锥在尖端(顶点)相接、共用一条轴,向两头无限延伸。圆锥的半顶角α\alpha是轴和母线的夹角;截平面和轴成β\beta角(0∘0^\circ时和轴平行,90∘90^\circ时和轴垂直),离顶点的距离是dd。截出来的总是圆、椭圆、抛物线或双曲线之一;平面过顶点时退化成一个点、一条直线或两条直线。

一个数决定曲线的类型
e=cos⁡βcos⁡αβ>α: e<1β=α: e=1β<α: e>1e = \frac{\cos\beta}{\cos\alpha} \qquad \beta > \alpha:\ e < 1 \qquad \beta = \alpha:\ e = 1 \qquad \beta < \alpha:\ e > 1

把平面从90∘90^\circ往下转:圆(e=0e = 0)变成椭圆,越拉越长;平面和圆锥的一条母线平行(β=α\beta = \alpha)的那一刻,远端跑到了无穷远,曲线成了抛物线;再转一点,平面切到另一个锥,第二支从无穷远处进来,成了双曲线。真实形状窗口正对着截面画,比例固定,离顶点最近的一点(近端)不动,所以看得见远端跑出窗口。曲线的类型按输入的角精确判定:β=30.01∘\beta = 30.01^\circ、α=30∘\alpha = 30^\circ时是椭圆,e≈0.9999e \approx 0.9999,不是抛物线。

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焦点从哪里来

  • 丹德林球放在圆锥里,各沿一个圆贴着圆锥、在一点贴着平面,这两个点就是焦点F1F_1、F2F_2。从曲线上一点PP到同一个球的切线段都一样长,所以PF1PF_1等于沿过PP的母线到第一个贴合圆的距离,PF2PF_2等于到第二个贴合圆的距离。
  • 椭圆的两个球在同一个锥里,PP在两个贴合圆之间,所以PF1+PF2PF_1 + PF_2就是两圆之间那段母线的长,对每个PP都一样:2a2a。双曲线的两个球在上下两个锥里,∣PF1−PF2∣=2a|PF_1 - PF_2| = 2a。抛物线只放得下一个球。
  • 准线是截平面与贴合圆所在平面的交线。PP到焦点和到准线的距离之比不变:PF1/PD1=ePF_1 / PD_1 = e;抛物线时两者相等。圆没有准线:两个平面平行。
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避免误读

  • 三维图有透视,圆看着像椭圆;真实形状窗口或“正对截面”给出真实的形状。窗口的比例不会自己变,窗口下面的数写着远端或另一支在哪里。
  • 圆锥只画了顶点附近的一段,两头淡出;它其实向两头无限延伸。再长的椭圆也是闭合的;抛物线不是半个椭圆:它根本没有远端。
  • 曲线的类型、β\beta与α\alpha的大小关系是精确的;ee、各段长度和距离是计算值,写“≈”。玻璃、淡淡的刻线和淡出只是显示效果。
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操作

  • 用旋钮或拖平面上的蓝色把手转β\beta,转到α\alpha和90∘90^\circ时会吸住。滚轮平移截平面,d=0d = 0时平面过顶点。角可以用度数或π的倍数输入。打开丹德林球或准线后,可以沿曲线拖动PP。“演示模式”进入全屏:← →转动截平面,↑ ↓平移它。
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