「圓錐曲線」到底有多重要?看完你就知道了

2020-12-05 數學真美

圓錐曲線又叫「二次曲線」,是高考最難的內容,沒有之一。它不但在高考中一直作為壓軸大題的形式出現,而且在物理學中也有著廣泛應用。因而如果「圓錐曲線」沒學好,那麼學習高中物理就會遇到困難。那麼,「圓錐曲線」到底是怎麼回事呢?還得從遙遠的古希臘說起。

「圓錐曲線」起源於2000多年前的古希臘,可以由一個「平面」去截取「二次錐面」得到,也就是我們常說的「橢圓」、「拋物線」、「雙曲線等」。

這種獲得「圓錐曲線」的方法是由古希臘數學家阿波羅尼斯採發現的。他先用「垂直於錐軸的平面」去截「圓錐」,這樣就得到了一個「圓」,接下來,只需把平面「漸漸傾斜」,就得到了「橢圓」。當「平面」傾斜到與圓錐的一條「母線」平行時,就得到了「拋物線」;當我們用「平行於圓錐的軸的平面」截取,就得到了「雙曲線的一支」,此時如果把「圓錐面」換成相應的「二次錐面」時,則可得到「雙曲線。

阿波羅尼依照上述「純幾何方法」取得了今天高中數學中關於「圓錐曲線」的全部性質和結果。

他與歐幾裡得是同時代人,其巨著《圓錐曲線》與歐幾裡得的史詩級巨著《幾何原本》同被譽為古代希臘幾何的登峰造極之作。

在《圓錐曲線》中,阿波羅尼總結了包括歐幾裡德在內的前人的所有學術成果的基礎上,又提出許多獨創的見解,將「圓錐曲線」的性質全部系統地總結了出來,以至於在後世的千餘年漫長的歲月裡,數學家們再也沒有提出更加富有創見的成果。

直到16世紀,由於天文學與物理學的發展,促使人們對「圓錐曲線」作進一步研究。

在天文學上,德國天文學家克卜勒繼承了哥白尼的「日心說」,提出了行星按「橢圓軌道」環繞太陽運行的說法;在物理學上,義大利物理學家伽利略提出了當物體進行「斜拋運動」時,其軌道是「拋物線」。

這時的人們才恍然大悟,「圓錐曲線」是自然界物體運動的「普遍形式」。於是,人們根據這些新發現,將「橢圓」進行了重新定義:橢圓是「到兩個焦點距離之和」為「定長」的「動點」的軌跡。

17世紀初,克卜勒發現了「圓錐曲線」的「焦點」和「離心率」,他大膽地指出,「拋物線」還有一個在「無窮遠」處的「焦點」,「直線」是圓心在無窮遠處的「圓」。

克卜勒接著大膽設想,橢圓、拋物線、雙曲線、圓以及由兩條直線組成的「退化圓錐曲線,只須考慮焦點的各種移動方式,就可以連續地由一個變為另外一個。這個設想,已成為今天關於「圓錐曲線」連續變換的直觀的邏輯基礎。

隨著「射影幾何的創始,原本是畫家用來投射、截影的方法也被數學家用於「圓錐曲線」的研究,因而獲得了「圓錐曲線」的非常有意義的特殊定理。

如果說上面的這些成就,自從阿波羅尼以來只是一些小的進展的話,隨著笛卡爾和費馬所創立的「解析幾何」面世,人們對圓錐曲線的認識進入了一個新階段,開始朝著「解析法」的方向發展,為「圓錐曲線」的發展迎來了新的春天。

「解析幾何」最偉大的貢獻在於通過建立「平面直角坐標系」,得到「圓錐曲線」的「方程」。開啟了用「代數方法」研究幾何問題的先河,也是「數形結合思想」的真正開端。

到了18世紀,人們建立了「極坐標系」,人們將「圓錐曲線」分別建立在「極坐標系」和「平面直角坐標系」上,並將兩種坐標系「相互轉換」,從而得出「圓錐曲線」的多種標準形式的「二次方程」和「參數方程」。

1745年,歐拉發表了《分析引論》,這是「圓錐曲線」研究的經典之作。在這部著作中,從一般二次方程出發,將「圓錐曲線」的各種情形經過適當的坐標變換後,總可以得到諸多「方程」的「標準形式」中的一種。

在歐拉的帶動之下,「圓錐曲線」朝著「三維」方向發展,導出了許多重要的「曲面」。

總而言之,「圓錐曲線」不但在數學以及其他科學技術領域中佔有重要的地位,在我們的實際生活中也存在著許許多多的「圓錐曲線」。

比如在科技中,我們的地球每時每刻都在環繞太陽的「橢圓軌跡」運行,太陽則位於橢圓的一個「焦點」上。「人造衛星」的運轉也是依據這個原理。可以這麼說,「圓錐曲線」構成了我們宇宙的基本形式。

而在生活中,用到「圓錐曲線」的例子也是不勝枚舉,比如,生活中用到的探照燈,就是依據「圓錐曲線」原理,利用「旋轉物面的曲面」製作而成。

綜上所述,「圓錐曲線」具有極為重要的價值,可與《幾何原本》媲美,因而值得每一位少年花時間和精力去掌握它。

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