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二次曲线不变量的研究与探索

时间:2023-07-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:上述需要考察的问题,是一个关于“不变量”的问题.问题3-7已知平面直角坐标系xOy和二次方程(*),在任何的平移变换下,基本量H,δ,Δ是否都是不变量?

二次曲线不变量的研究与探索

上述需要考察的问题,是一个关于“不变量”的问题.

问题3-7 已知平面直角坐标系xOy和二次方程(*),在任何的平移变换下,基本量H,δ,Δ是否都是不变量?

分析 二次曲线的形态及其几何性质,是曲线固有的几何特征,与坐标系的选取无关.基本量H,δ,Δ的正负性以及值的大小,则是曲线固有几何特征的反映,应与曲线方程的表示形式无关.结合例9的解题说明,猜测H,δ,Δ可能是平移变换下二次曲线的不变量.

研讨 考察平移变换前后曲线的方程相应的H,δ,Δ的值是否对应相等.

平移坐标系xOy,将原点移到不同于点O的任意一点O′(h,k),这时二次方程(*)变为

其中,A′=A,B′=B,C′=C;

D′=Ah+Bk+D,E′=Bh+Ck+E;

F′=Ah2+2Bhk+Ck2+2Dh+2Ek+F.

将方程的系数组H′,δ′,Δ′与方程(*)的相应系数组进行比较.

(1)分析H′与H,δ′与δ

根据方程和方程(*)中系数之间的关系,可得

A′+C′=A+C,B′2-A′C′=B2-AC,

即H′=H,δ′=δ.

(2)再分析Δ′与Δ

∴Δ′=Δ.

综合(1)(2)可知,在任何的平移变换中,H,δ,Δ都是不变量.

说明 本问题研究所得的结论表明,任何平移变换都不会改变基本量H,δ,Δ的值.可见,这些基本量的值是由曲线的几何特征所确定的,它们是不变量.

问题3-8 已知平面直角坐标系xOy和二次方程(*),在任何的旋转变换下,基本量H,δ,Δ是否都是不变量?

分析 可采用类似于问题3-7的研究思路进行探究.

研讨 考察旋转变换前后曲线的方程相应的H,δ,Δ的值是否相等.

旋转坐标轴,设旋转角为θ(0°<θ<360°),则二次方程(*)变为(www.xing528.com)

A′x′2+2B′x′y′+C′y′2+2D′x′+2E′y′+F′=0,

由问题3-2的研讨及结论,可知

将方程的H′,δ′,Δ′与方程(*)的H,δ,Δ进行比较分析.

(1)分析H′和H

(2)分析δ′和δ

将δ′=B′2-A′C′变形为

由B′=Bcos2θ-sin2θ,得

又知A′-C′=(A-C)cos2θ+2Bsin2θ,得

(3)分析Δ′和Δ

同理,得

=(A′C′-B′2)F′+2B′D′E′-C′D′2-A′E′2

在Δ′和Δ的表达式中,由于(A′C′-B′2)F′=(ACB2)F=-δF,所以只要考察2B′D′E′-C′D′2-A′E′2与2BDE-CD2-AE2是否相等.

又在第3.3节问题3-5中,已得

于是,设,

=2BDE-CD2-AE2

∴Δ′=Δ.

综合(1)(2)(3)可知,在任何的旋转变换中,H,δ,Δ都是不变量.

说明 通过本问题研究所得的结论可以进一步看到,基本量H,δ,Δ的值是曲线固有几何特征的反映.

综合问题3-7和问题3-8研究所得的结论,可知基本量H,δ,Δ是坐标变换下二次曲线的不变量.对于H,δ,Δ的再组合,如H2,H2+4δ等,当然也是不变量.

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