淺談圓錐曲線中的數學思維

2020-12-12 遇見數學

圓錐曲線(Conic Section, 又稱圓錐截面、二次平面曲線)是平面解析幾何中的重點內容,同時也是高考中佔比較大的部分。它包括橢圓、雙曲線、拋物線,反映出數學的特徵和本質屬性。圓錐曲線蘊含著函數與方程思想、數形結合思想、化歸與轉化思想,其中數形結合思想是圓錐曲線的核心思想!它對於運算求解能力、推理論證能力有一定的要求。在我看來,圓錐曲線也隱含著數學中不易察覺的美學元素,橢圓、雙曲線、拋物線都是從圓錐中切出來的。查看下面動畫所示:

對於圓錐曲線,必須定義當先圓錐曲線的定義相當重要。因為數學的研究對象是事物的數量關係和空間形式,所以唯有透徹的理解圓錐曲線的定義,才能對其有更深層次的認知。

1、橢圓(Ellipse)

何謂橢圓?橢圓即平面內到定點 F1、F2 的距離之和等於一個常數(大於 |F1 F2|)的點的軌跡。與之對應的符號語言為:

請觀察下圖:

提起橢圓,大家最先想到的就是宇宙中星體的運行軌跡。沒錯,宇宙中大多數星體的運行軌跡都是橢圓。一般都是以太陽為其中一個焦點運轉。生活中的橢圓更是數不勝數,比如 雞蛋、浴缸、橄欖球……當你把數學與生活相結合的時候,會發現數學並不是你想像中的那麼枯燥無味。

圓錐曲線是高中解析幾何中計算量較大的一部分,但其基本思路較為明確,一般都是聯立合併消元韋達定理中點坐標公式/弦長公式這種套路。

2、雙曲線(Hyperbola)

何謂雙曲線?雙曲線即平面內與兩個定點 F1、F2 的距離差的絕對值等於常數(小於 |F1 F2| )的點的軌跡。與之對應的符號語言為,其中(0<2a<2c):

請觀察下圖:

雙曲線最容易被忽略的就是絕對值的問題,由於思維定勢,很可能導致雙曲線就變成了一支。雙曲線區別於橢圓最關鍵的一點就是:在雙曲線中 c 最大,而在橢圓中 a 最大。雙曲線被離心率和漸近線所限制,每一支雙曲線都是無限趨近,但永遠不相交於過原點的一次函數。

雙曲線在很大程度上都與橢圓有相似之處,它們之間的聯繫也比較密切,但真正應用起來,就普遍感覺到雙曲線的難度大於橢圓。

3、拋物線(Parabola)

何謂拋物線? 拋物線即平面內到定點 F 的距離與到定直線 L 的距離相等的點的軌跡。 與之對應的符號語言為:

拋物線在建築學上的應用非常廣泛,其中拱橋就是拋物線的典型模型。物理學上的拋體運動也是拋物線的集中體現。類比於橢圓與雙曲線,通過數形結合與轉化分析,可以進一步體會拋物線中分類討論的思想方法。

圓錐曲線完全可以與向量、導數、零點等模塊相結合。圓錐曲線雖然作為解析幾何的一部分,但是與其他領域有非常密切的聯繫。高中階段主要對圓錐曲線的宏觀表現進行研究,然而圓錐曲線的微觀本質 也非常值得我們去探索。

圓錐曲線大多數都是含參求解,尤其是對於動點問題以及存在問題的討論。要善於運用數學中特有的符號語言和圖形語言,數學中最高級的語言就是圖形語言。

如今流行一個詞叫核心素養,說白了,就是當你把這個學科的知識點全部忘記的時候,還能剩下的東西。在數學領域,那便是數學思維。思維很重要,學會思維,才能更好的學習。在我看來,圓錐曲線最核心也是最本質的東西,可以概括為三句話:有點寫坐標、有線列方程、相交必聯立!這也是數學思維的體現,無論何時,最本質的東西不能丟。正如古人所言:人不能忘本。

絕對的原創作品,因學識淺薄,能力有限,不足之處敬請批評指正。 願此篇文章讓更多人發自內心的熱愛數學,樂於探索數學。(完, 部分圖形自 mathworld.wolfram.com)

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