一種畫橢圓的新方法

2021-02-18 數學教學研究

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今天介紹一種全新的也是很高超的畫圓錐曲線(包括橢圓、雙曲線、拋物線)的方法。這種方法利用了交比的不變性。

第一步:有一條直線l,有兩個點O和O'。有以點O為射影中心的線束(藍色)和以點O'為射影中心的線束(粉色)「照射」到直線l上。每組線束都只畫出了其中的五條直線,其中四條為從射影中心O(或O')照射到直線l上的直線OA(O'A)、OB(O'B)、OC(O'C)、OD(O'D)。(畫出這四條直線是為了有線束的感覺。)點P是直線l上的動點。我們可以把直線PO和PO'分別當做兩組線束的代表直線。點P可以運動到包括點A、B、C或D在內的直線l上的任意一點,包括無窮遠點。

第二步:把線束O'及直線l繞點O'整體進行旋轉,比如旋轉到下圖所示的位置(這裡的線束以綠色表示)。動點P及點A、B、C、D隨之轉動到P'及A'、B'、C'、D'的位置。從而得到線束O''(點O''與點O'是重合的)。原來線束O的代表直線PO轉動到新線束O''的代表直線P'O''的位置。設這兩條直線PO和P'O''的交點為S。

第三步:讓點P在直線l上運動,則點P'隨之在直線P'D'上運動(兩者的運動完全同步),從而直線PO及P'O''都在運動,它們的交點S也隨之運動。那麼,點S的運動軌跡就是圓錐曲線,這裡畫出的是一個橢圓,如下圖中紅色曲線所示(橢圓沒有封口是因為缺口處對應於直線l上無限遠點,我們的軟體不可能讓點真正運動到無窮遠)。(注意,我們也可以把開始時的線束O'(粉色)平移到某個位置,得到線束O'',則線束O與線束O''對應直線的交點也構成圓錐曲線,可能是雙曲線、拋物線、橢圓。)

上圖中藍色線束O與綠色線束O''對應直線的交點構成橢圓。A''、B''、C''和D''是四個特殊點。點S是交點的代表。下面的動畫中刪除了那些特殊的直線,去保留線束的代表直線。於是,看上去,幾根直線就畫出了橢圓,很神奇!


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