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“圆锥曲线”到底有多重要?看完你就知道了(转发)

(2020-08-21 12:26:46)
圆锥曲线又叫“二次曲线”,是高考最难的内容,没有之一。它不但在高考中一直作为压轴大题的形式出现,而且在物理学中也有着广泛应用。因而如果“圆锥曲线”没学好,那么学习高中物理就会遇到困难。那么,“圆锥曲线”到底是怎么回事呢?还得从遥远的古希腊说起。

“圆锥曲线”起源于2000多年前的古希腊,可以由一个“平面”去截取“二次锥面”得到,也就是我们常说的“椭圆”、“抛物线”、“双曲线等”

这种获得“圆锥曲线”的方法是由古希腊数学家阿波罗尼斯采发现的。他先用“垂直于锥轴的平面”去截“圆锥”,这样就得到了一个“圆”,接下来,只需把平面“渐渐倾斜”,就得到了“椭圆”。当“平面”倾斜到与圆锥的一条“母线”平行时,就得到了“抛物线”;当我们用“平行于圆锥的轴的平面”截取,就得到了“双曲线的一支”,此时如果把“圆锥面”换成相应的“二次锥面”时,则可得到“双曲线

阿波罗尼依照上述“纯几何方法”取得了今天高中数学中关于“圆锥曲线”的全部性质和结果。

他与欧几里得是同时代人,其巨著《圆锥曲线》与欧几里得的史诗级巨著《几何原本》同被誉为古代希腊几何的登峰造极之作。

在《圆锥曲线》中,阿波罗尼总结了包括欧几里德在内的前人的所有学术成果的基础上,又提出许多独创的见解,将“圆锥曲线”的性质全部系统地总结了出来,以至于在后世的千余年漫长的岁月里,数学家们再也没有提出更加富有创见的成果。

直到16世纪,由于天文学与物理学的发展,促使人们对“圆锥曲线”作进一步研究。

在天文学上,德国天文学家开普勒继承了哥白尼的“日心说”,提出了行星按“椭圆轨道”环绕太阳运行的说法;在物理学上,意大利物理学家伽利略提出了当物体进行“斜抛运动”时,其轨道是“抛物线”。

 

这时的人们才恍然大悟,“圆锥曲线”是自然界物体运动的“普遍形式”。于是,人们根据这些新发现,将“椭圆”进行了重新定义:椭圆是“到两个焦点距离之和”为“定长”的“动点”的轨迹。

17世纪初,开普勒发现了“圆锥曲线”的“焦点”和“离心率”,他大胆地指出,“抛物线”还有一个在“无穷远”处的“焦点”,“直线”是圆心在无穷远处的“圆”。

 

开普勒接着大胆设想,椭圆、抛物线、双曲线、圆以及由两条直线组成的“退化圆锥曲线,只须考虑焦点的各种移动方式,就可以连续地由一个变为另外一个。这个设想,已成为今天关于“圆锥曲线”连续变换的直观的逻辑基础。

随着“射影几何的创始,原本是画家用来投射、截影的方法也被数学家用于“圆锥曲线”的研究,因而获得了“圆锥曲线”的非常有意义的特殊定理。

如果说上面的这些成就,自从阿波罗尼以来只是一些小的进展的话,随着笛卡尔和费马所创立的“解析几何”面世,人们对圆锥曲线的认识进入了一个新阶段,开始朝着“解析法”的方向发展,为“圆锥曲线”的发展迎来了新的春天。

“解析几何”最伟大的贡献在于通过建立“平面直角坐标系”,得到“圆锥曲线”的“方程”。开启了用“代数方法”研究几何问题的先河,也是“数形结合思想”的真正开端。到了18世纪,人们建立了“极坐标系”,人们将“圆锥曲线”分别建立在“极坐标系”和“平面直角坐标系”上,并将两种坐标系“相互转换”,从而得出“圆锥曲线”的多种标准形式的“二次方程”和“参数方程”。

1745年,欧拉发表了《分析引论》,这是“圆锥曲线”研究的经典之作。在这部著作中,从一般二次方程出发,将“圆锥曲线”的各种情形经过适当的坐标变换后,总可以得到诸多“方程”的“标准形式”中的一种。

在欧拉的带动之下,“圆锥曲线”朝着“三维”方向发展,导出了许多重要的“曲面”。

总而言之,“圆锥曲线”不但在数学以及其他科学技术领域中占有重要的地位,在我们的实际生活中也存在着许许多多的“圆锥曲线”。比如在科技中,我们的地球每时每刻都在环绕太阳的“椭圆轨迹”运行,太阳则位于椭圆的一个“焦点”上。“人造卫星”的运转也是依据这个原理。可以这么说,“圆锥曲线”构成了我们宇宙的基本形式。

而在生活中,用到“圆锥曲线”的例子也是不胜枚举,比如,生活中用到的探照灯,就是依据“圆锥曲线”原理,利用“旋转物面的曲面”制作而成。

综上所述,“圆锥曲线”具有极为重要的价值,可与《几何原本》媲美,因而值得每一位少年花时间和精力去掌握它。




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