标准形式以外的选读拓展
方程 x y = 1 xy=1 x y = 1 没有平方项,却表示双曲线;旋转坐标轴后,熟悉的平方差形式才会显现。反过来,含有平方项也未必得到一条曲线:x 2 + y 2 = 0 x^2+y^2=0 x 2 + y 2 = 0 只表示原点。辨认二次轨迹时,既要考虑坐标轴的选择,也要考察余下的一次项和常数项。
焦点准线条件解释了二次方程的来源。设焦点为 ( p , q ) (p,q) ( p , q ) ,准线为 u x + v y + w = 0 ux+vy+w=0 ux + v y + w = 0 ,离心率为 e > 0 e\gt0 e > 0 ,其中 u 2 + v 2 > 0 u^2+v^2\gt0 u 2 + v 2 > 0 且焦点不在准线上。条件为
( x − p ) 2 + ( y − q ) 2 = e ∣ u x + v y + w ∣ u 2 + v 2 . \sqrt{(x-p)^2+(y-q)^2}
=e\frac{|ux+vy+w|}{\sqrt{u^2+v^2}}. ( x − p ) 2 + ( y − q ) 2 = e u 2 + v 2 ∣ ux + v y + w ∣ .
两边非负,故平方可逆,再乘以 u 2 + v 2 u^2+v^2 u 2 + v 2 就得到二次方程。但逆向问题须谨慎:任意二次方程未必描述非退化的焦点准线圆锥曲线。即使二次部分不变,低次项仍可改变实轨迹。
对实系数写
f ( x , y ) = A x 2 + B x y + C y 2 + D x + E y + F . f(x,y)=Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F. f ( x , y ) = A x 2 + B x y + C y 2 + D x + E y + F . 实轨迹是所有满足 f ( x , y ) = 0 f(x,y)=0 f ( x , y ) = 0 的点的集合。二次部分为 A x 2 + B x y + C y 2 Ax^2+Bxy+Cy^2 A x 2 + B x y + C y 2 ,其判别式为 Δ = B 2 − 4 A C \Delta=B^2-4AC Δ = B 2 − 4 A C 。讨论边界情形时也允许 A = B = C = 0 A=B=C=0 A = B = C = 0 ,尽管此时方程的次数至多为一。
全式乘以非零常数不改变轨迹。坐标旋转与平移也保持距离及角度;它们改变同一集合的描述,不改变几何类型。先旋转消去混合项,再平移,便能看清哪些常数项与一次项仍决定形状。
旋转坐标轴
将坐标轴逆时针旋转 θ \theta θ ,记 c = cos θ c=\cos\theta c = cos θ 、s = sin θ s=\sin\theta s = sin θ ,新坐标为 ( X , Y ) (X,Y) ( X , Y ) 。新坐标单位向量在原坐标中分别为 ( c , s ) (c,s) ( c , s ) 与 ( − s , c ) (-s,c) ( − s , c ) 。同一点的两组坐标因此满足
x = c X − s Y , y = s X + c Y ; X = c x + s y , Y = − s x + c y . x=cX-sY,\qquad y=sX+cY;
\qquad X=cx+sy,\qquad Y=-sx+cy. x = c X − s Y , y = s X + c Y ; X = c x + sy , Y = − s x + cy .
利用 c 2 + s 2 = 1 c^2+s^2=1 c 2 + s 2 = 1 代入即可验证逆公式。必须分清变换方向:旋转坐标轴与主动旋转一个点,是两种不同的描述,混淆它们容易弄错符号。
代入后新方程的系数为
A ′ = A c 2 + B c s + C s 2 , C ′ = A s 2 − B c s + C c 2 , B ′ = B cos 2 θ − ( A − C ) sin 2 θ , D ′ = D c + E s , E ′ = − D s + E c , F ′ = F . \begin{aligned}
A'&=Ac^2+Bcs+Cs^2, & C'&=As^2-Bcs+Cc^2,\\
B'&=B\cos2\theta-(A-C)\sin2\theta,\\
D'&=Dc+Es, & E'&=-Ds+Ec,\qquad F'=F.
\end{aligned} A ′ B ′ D ′ = A c 2 + B cs + C s 2 , = B cos 2 θ − ( A − C ) sin 2 θ , = D c + E s , C ′ E ′ = A s 2 − B cs + C c 2 , = − D s + E c , F ′ = F . 总能选择实角使 B ′ = 0 B'=0 B ′ = 0 ,且有
A ′ + C ′ = A + C , B ′ 2 − 4 A ′ C ′ = B 2 − 4 A C . A'+C'=A+C,\qquad B'^2-4A'C'=B^2-4AC. A ′ + C ′ = A + C , B ′2 − 4 A ′ C ′ = B 2 − 4 A C .
证明: 先找出要消去的系数,再选择角度
目标是消去 X Y XY X Y ,并非一次项。展开 A x 2 Ax^2 A x 2 、B x y Bxy B x y 与 C y 2 Cy^2 C y 2 ,混合项系数合计为 − 2 A c s + B ( c 2 − s 2 ) + 2 C c s -2Acs+B(c^2-s^2)+2Ccs − 2 A cs + B ( c 2 − s 2 ) + 2 C cs ,即上述 B ′ B' B ′ 。若 B = 0 B=0 B = 0 ,取 θ = 0 \theta=0 θ = 0 。若 B ≠ 0 B\ne0 B = 0 且 A = C A=C A = C ,取 θ = π / 4 \theta=\pi/4 θ = π /4 。其余情形选择满足 tan 2 θ = B / ( A − C ) \tan2\theta=B/(A-C) tan 2 θ = B / ( A − C ) 的角,令 2 θ 2\theta 2 θ 位于
− π / 2 -\pi/2 − π /2 与 π / 2 \pi/2 π /2 之间。其余弦非零,乘回余弦便可验证 B ′ = 0 B'=0 B ′ = 0 。这样的分情况避免在 A = C A=C A = C 时除以零。
把 A ′ A' A ′ 、C ′ C' C ′ 的公式相加,其中 B c s Bcs B cs 与 − B c s -Bcs − B cs 抵消,即得迹的不变性。相减则得 A ′ − C ′ = ( A − C ) cos 2 θ + B sin 2 θ A'-C'=(A-C)\cos2\theta+B\sin2\theta A ′ − C ′ = ( A − C ) cos 2 θ + B sin 2 θ 。将此式与 B ′ B' B ′ 分别平方再相加,交叉乘积抵消,故
B ′ 2 + ( A ′ − C ′ ) 2 = B 2 + ( A − C ) 2 . B'^2+(A'-C')^2=B^2+(A-C)^2. B ′2 + ( A ′ − C ′ ) 2 = B 2 + ( A − C ) 2 .
再减去已经证明不变的平方 ( A ′ + C ′ ) 2 = ( A + C ) 2 (A'+C')^2=(A+C)^2 ( A ′ + C ′ ) 2 = ( A + C ) 2 ,即得判别式恒等式。这说明任意旋转都保持判别式,当然也包括用于消去混合项的旋转。
之后的平移不改变二次系数,因为展开平移后的平方只新增一次项和常数项。因此 Δ \Delta Δ 也在平移下不变。这些不变量属于选定的多项式方程;若全式乘以标量 r r r ,迹会乘以 r r r ,判别式会乘以 r 2 r^2 r 2 。所以非零倍缩放仍保持判别式的符号。
互动 · 探索
旋转坐标轴,保持椭圆不动
旋转坐标轴,找出 XY 系数为零的角度。
新坐标 5 X 2 + 6 X Y + 5 Y 2 = 8 5X^2 + 6XY + 5Y^2 = 8 5 X 2 + 6 X Y + 5 Y 2 = 8 XY 系数 ≈ 6 不成立:交叉项系数为零
B = 6 cos ( 2 θ ) B=6\cos(2\theta) B = 6 cos ( 2 θ ) ;在此范围,B = 0 B=0 B = 0 当且仅当 θ = 45 ∘ \theta=45^\circ θ = 4 5 ∘ 。
要留意 固定椭圆为 5 x 2 + 6 x y + 5 y 2 = 8 5x^2+6xy+5y^2=8 5 x 2 + 6 x y + 5 y 2 = 8 。虚线轴表示新的 X , Y X,Y X , Y 方向。代入 x = X cos θ − Y sin θ x=X\cos\theta-Y\sin\theta x = X cos θ − Y sin θ 与 y = X sin θ + Y cos θ y=X\sin\theta+Y\cos\theta y = X sin θ + Y cos θ 。当角度为 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ ,混合项系数消失,同一椭圆的方程变为 8 X 2 + 2 Y 2 = 8 8X^2+2Y^2=8 8 X 2 + 2 Y 2 = 8 。改变的是坐标,而非轨迹。
配方并保留全部情形
旋转之后重新命名系数,写成
α X 2 + γ Y 2 + d X + e Y + f = 0. \alpha X^2+\gamma Y^2+dX+eY+f=0. α X 2 + γ Y 2 + d X + e Y + f = 0.
此处的小写 e e e 是一次项系数,不是引入定义时的离心率。二次部分的秩指消去混合项后 α , γ \alpha,\gamma α , γ 中非零系数的个数。只有三种可能,普通配方即可完成分类,无须一般矩阵理论。
若二次部分的秩为二,令 h = − d / ( 2 α ) h=-d/(2\alpha) h = − d / ( 2 α ) 、k = − e / ( 2 γ ) k=-e/(2\gamma) k = − e / ( 2 γ ) ,以及
m = d 2 / ( 4 α ) + e 2 / ( 4 γ ) − f m=d^2/(4\alpha)+e^2/(4\gamma)-f m = d 2 / ( 4 α ) + e 2 / ( 4 γ ) − f 。平移为 U = X − h U=X-h U = X − h 、V = Y − k V=Y-k V = Y − k 后有
α U 2 + γ V 2 = m . \alpha U^2+\gamma V^2=m. α U 2 + γ V 2 = m . 若 α , γ \alpha,\gamma α , γ 同号,必要时全式乘以 − 1 -1 − 1 ,使两者都为正,并同时改变 m m m 的符号。此时 m > 0 m\gt0 m > 0 为椭圆,m = 0 m=0 m = 0 为一个点,m < 0 m\lt0 m < 0 为空集。若两系数异号,则 m ≠ 0 m\ne0 m = 0 为双曲线,m = 0 m=0 m = 0 为两条相交直线。
若秩为一,必要时交换坐标角色,使 α ≠ 0 \alpha\ne0 α = 0 、γ = 0 \gamma=0 γ = 0 。只对已有的二次项配方,得
α U 2 + e Y + g = 0 , U = X + d 2 α , g = f − d 2 4 α . \alpha U^2+eY+g=0,\qquad
U=X+\frac{d}{2\alpha},\qquad g=f-\frac{d^2}{4\alpha}. α U 2 + e Y + g = 0 , U = X + 2 α d , g = f − 4 α d 2 . 若 e ≠ 0 e\ne0 e = 0 ,轨迹为抛物线。若 e = 0 e=0 e = 0 ,令 r = − g / α r=-g/\alpha r = − g / α ;
r > 0 r\gt0 r > 0 时为两条平行直线,r = 0 r=0 r = 0 时为一条重直线,r < 0 r\lt0 r < 0 时无实点。
若秩为零,方程为 d X + e Y + f = 0 dX+eY+f=0 d X + e Y + f = 0 。当 ( d , e ) ≠ ( 0 , 0 ) (d,e)\ne(0,0) ( d , e ) = ( 0 , 0 ) 时为直线,当 d = e = f = 0 d=e=f=0 d = e = f = 0 时为整个平面,其余情形为空集。
同号情形的依据是正系数平方和总非负,且仅在两个变量都为零时为零。
m m m 为正时,除以 m m m 得半轴长 m / α \sqrt{m/\alpha} m / α 、m / γ \sqrt{m/\gamma} m / γ 。异号情形经过必要的交换或全式变号,可写为 α U 2 − β V 2 = m \alpha U^2-\beta V^2=m α U 2 − β V 2 = m ,其中 α , β > 0 \alpha,\beta\gt0 α , β > 0 。右侧非零时可化为两种朝向之一的标准双曲线;右侧为零时分解成
( α U − β V ) ( α U + β V ) = 0 (\sqrt\alpha U-\sqrt\beta V)(\sqrt\alpha U+\sqrt\beta V)=0 ( α U − β V ) ( α U + β V ) = 0 ,得到两条不同的相交直线。
秩一且 e ≠ 0 e\ne0 e = 0 时,令 V = Y + g / e V=Y+g/e V = Y + g / e ,便有 α U 2 = − e V \alpha U^2=-eV α U 2 = − e V ,其抛物线系数非零,开口由 − e / α -e/\alpha − e / α 的符号决定。由于不存在 Y 2 Y^2 Y 2 项,不能把 e Y eY e Y 吸收到关于 Y Y Y 的平方中。若 e = 0 e=0 e = 0 ,每个允许的 U U U 值都让 Y Y Y 自由变化,所以每个实根给出整条直线。重直线在几何上只是一条线,但在多项式中对应重复因子。秩零的结论则来自求解真正的一次方程,或直接判断常数等式。
反例模式
判别式为正并不能排除相交直线 方程 x 2 − y 2 = 0 x^2-y^2=0 x 2 − y 2 = 0 的判别式为 Δ = 4 > 0 \Delta=4\gt0 Δ = 4 > 0 ,却能分解为
( x − y ) ( x + y ) = 0 (x-y)(x+y)=0 ( x − y ) ( x + y ) = 0 ,轨迹是 y = x y=x y = x 与 y = − x y=-x y = − x 的并集,并非非退化双曲线。只改变常数项得到 x 2 − y 2 = 1 x^2-y^2=1 x 2 − y 2 = 1 ,才是具有相同判别式的双曲线。
正判别式能确定的是二次部分不定号,配方后仍须检查剩余常数是否为零。同样,负判别式容许椭圆、单点或空集;零判别式则须继续检查保留的一次项与秩。
圆要求 A = C ≠ 0 A=C\ne0 A = C = 0 且 B = 0 B=0 B = 0 。上述证明中的恒等式表明,旋转后对角系数相等且混合项为零,会迫使原来的 B 2 + ( A − C ) 2 = 0 B^2+(A-C)^2=0 B 2 + ( A − C ) 2 = 0 。此时全式除以 A A A 并配方,圆心为 ( − D / ( 2 A ) , − E / ( 2 A ) ) (-D/(2A),-E/(2A)) ( − D / ( 2 A ) , − E / ( 2 A )) ,且
R 2 = D 2 + E 2 4 A 2 − F A . R^2=\frac{D^2+E^2}{4A^2}-\frac FA. R 2 = 4 A 2 D 2 + E 2 − A F .
只有 R 2 > 0 R^2\gt0 R 2 > 0 才给出真正的圆;等于零时仅剩圆心,小于零时无实点。二次系数相等本身并不能保证半径为正。
分类例题
分类下列方程,并确定其轴:
5 x 2 − 4 x y + 8 y 2 + 4 5 x − 16 5 y + 4 = 0. 5x^2-4xy+8y^2+4\sqrt5x-16\sqrt5y+4=0. 5 x 2 − 4 x y + 8 y 2 + 4 5 x − 16 5 y + 4 = 0. 此处 Δ = − 144 \Delta=-144 Δ = − 144 ,二次部分定号。取 c = 2 / 5 c=2/\sqrt5 c = 2/ 5 、s = 1 / 5 s=1/\sqrt5 s = 1/ 5 ,满足 tan 2 θ = 4 / 3 \tan2\theta=4/3 tan 2 θ = 4/3 。代入 x = ( 2 X − Y ) / 5 x=(2X-Y)/\sqrt5 x = ( 2 X − Y ) / 5 、y = ( X + 2 Y ) / 5 y=(X+2Y)/\sqrt5 y = ( X + 2 Y ) / 5 ,得
4 X 2 + 9 Y 2 − 8 X − 36 Y + 4 = 0 ⟺ 4 ( X − 1 ) 2 + 9 ( Y − 2 ) 2 = 36. 4X^2+9Y^2-8X-36Y+4=0
\quad\Longleftrightarrow\quad
4(X-1)^2+9(Y-2)^2=36. 4 X 2 + 9 Y 2 − 8 X − 36 Y + 4 = 0 ⟺ 4 ( X − 1 ) 2 + 9 ( Y − 2 ) 2 = 36. 右侧为正,现在才确认是实椭圆。旋转坐标中的中心为 ( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) ,换回原坐标是 ( 0 , 5 ) (0,\sqrt5) ( 0 , 5 ) 。沿 ( 2 , 1 ) / 5 (2,1)/\sqrt5 ( 2 , 1 ) / 5 的半轴长为 3 3 3 ,沿 ( − 1 , 2 ) / 5 (-1,2)/\sqrt5 ( − 1 , 2 ) / 5 的半轴长为 2 2 2 。画图时先标中心,再沿这两个单位方向分别加减相应长度,得到四个轴端点。单凭判别式并不能求出中心或轴长。
例题 11.4.5
(例 2:一次项区分抛物线与平行直线)
考虑 x 2 + 2 x y + y 2 − 2 x + 2 y = 0 x^2+2xy+y^2-2x+2y=0 x 2 + 2 x y + y 2 − 2 x + 2 y = 0 。虽然 Δ = 0 \Delta=0 Δ = 0 ,也不能丢弃一次部分。取 θ = π / 4 \theta=\pi/4 θ = π /4 ,则 x + y = 2 X x+y=\sqrt2X x + y = 2 X 、− 2 x + 2 y = 2 2 Y -2x+2y=2\sqrt2Y − 2 x + 2 y = 2 2 Y ,方程变成 2 X 2 + 2 2 Y = 0 2X^2+2\sqrt2Y=0 2 X 2 + 2 2 Y = 0 ,是沿负 Y Y Y 方向开口的抛物线。
对比 x 2 + 2 x y + y 2 − 2 = 0 x^2+2xy+y^2-2=0 x 2 + 2 x y + y 2 − 2 = 0 ,同一旋转给出 X 2 = 1 X^2=1 X 2 = 1 ,即两条平行直线 x + y = ± 2 x+y=\pm\sqrt2 x + y = ± 2 。把 − 2 -2 − 2 换为 0 0 0 得重直线 x + y = 0 x+y=0 x + y = 0 ;换为 2 2 2 则得空集。四个方程的二次部分相同,轨迹之所以不同,必须由剩余项判断。
例题 11.4.6
(例 3:相同定号二次部分的三种结果)
方程 x 2 + y 2 − 2 x + 4 y + c = 0 x^2+y^2-2x+4y+c=0 x 2 + y 2 − 2 x + 4 y + c = 0 总有 Δ = − 4 \Delta=-4 Δ = − 4 。配方得 ( x − 1 ) 2 + ( y + 2 ) 2 = 5 − c (x-1)^2+(y+2)^2=5-c ( x − 1 ) 2 + ( y + 2 ) 2 = 5 − c 。
c = 1 c=1 c = 1 时为圆心 ( 1 , − 2 ) (1,-2) ( 1 , − 2 ) 、半径 2 2 2 的圆;c = 5 c=5 c = 5 时仅有点 ( 1 , − 2 ) (1,-2) ( 1 , − 2 ) ;
c = 6 c=6 c = 6 时为空集。相同的中心计算在三种情况下都有用,但右侧为负时,不能通过取实平方根来指定半径。
二次部分的矩阵观点
概念视角 代数
对称矩阵记录同一个二次表达式 定义列向量 z = ( x , y ) T z=(x,y)^T z = ( x , y ) T 、Z = ( X , Y ) T Z=(X,Y)^T Z = ( X , Y ) T ,以及
Q = ( A B / 2 B / 2 C ) , O = ( c − s s c ) . Q=\begin{pmatrix}A&B/2\\B/2&C\end{pmatrix},\qquad
O=\begin{pmatrix}c&-s\\s&c\end{pmatrix}. Q = ( A B /2 B /2 C ) , O = ( c s − s c ) . 则 z T Q z = A x 2 + B x y + C y 2 z^TQz=Ax^2+Bxy+Cy^2 z T Q z = A x 2 + B x y + C y 2 :两个非对角乘积各贡献混合项的一半。坐标变换是 z = O Z z=OZ z = O Z ,且 O T O = O O T = I O^TO=OO^T=I O T O = O O T = I 。代入得
z T Q z = Z T ( O T Q O ) Z , Q ′ = O T Q O , Q = O Q ′ O T . z^TQz=Z^T(O^TQO)Z,\qquad Q'=O^TQO,
\qquad Q=OQ'O^T. z T Q z = Z T ( O T QO ) Z , Q ′ = O T QO , Q = O Q ′ O T . 最后一个等式由左乘 O O O 、右乘 O T O^T O T 得到。矩阵乘法有次序要求;这两个公式表示互逆的变换,不能任意交换排列。选择使 B ′ = 0 B'=0 B ′ = 0 的角,就使 Q ′ Q' Q ′ 成为对角矩阵。这正是前面已用三角函数证明的旋转过程的矩阵描述。
迹是对角元素之和 A + C A+C A + C ,行列式为 A C − B 2 / 4 = − Δ / 4 AC-B^2/4=-\Delta/4 A C − B 2 /4 = − Δ/4 。由于 det O = 1 \det O=1 det O = 1 ,对 Q ′ = O T Q O Q'=O^TQO Q ′ = O T QO 取行列式可知行列式不变;迹不变已经由系数计算证明。因此矩阵只是把同样的两个不变量整合起来。一次部分须另行变换为 ( D , E ) O Z (D,E)OZ ( D , E ) O Z ,故单靠二次部分的矩阵不能判断所有实轨迹。
切线要求接触点为正则点
梯度 ∇ f = ( f x , f y ) \nabla f=(f_x,f_y) ∇ f = ( f x , f y ) 是两个偏导数组成的向量。在双曲线的推导 中,沿曲线对方程求导,已经说明它与切线垂直。一般二次轨迹还可能出现交叉分支或孤立点,因此必须明确要求梯度非零。
定理 11.4.7
(二次轨迹在正则点处的切线公式)
设 P = ( x 0 , y 0 ) P=(x_0,y_0) P = ( x 0 , y 0 ) 满足 f ( P ) = 0 f(P)=0 f ( P ) = 0 ,且
∇ f ( P ) = ( 2 A x 0 + B y 0 + D , B x 0 + 2 C y 0 + E ) ≠ ( 0 , 0 ) . \nabla f(P)=(2Ax_0+By_0+D,\ Bx_0+2Cy_0+E)\ne(0,0). ∇ f ( P ) = ( 2 A x 0 + B y 0 + D , B x 0 + 2 C y 0 + E ) = ( 0 , 0 ) . 则切线为 ∇ f ( P ) ⋅ ( x − x 0 , y − y 0 ) = 0 \nabla f(P)\cdot(x-x_0,y-y_0)=0 ∇ f ( P ) ⋅ ( x − x 0 , y − y 0 ) = 0 ,等价地为
A x 0 x + B 2 ( x 0 y + y 0 x ) + C y 0 y + D 2 ( x + x 0 ) + E 2 ( y + y 0 ) + F = 0. Ax_0x+\frac B2(x_0y+y_0x)+Cy_0y
+\frac D2(x+x_0)+\frac E2(y+y_0)+F=0. A x 0 x + 2 B ( x 0 y + y 0 x ) + C y 0 y + 2 D ( x + x 0 ) + 2 E ( y + y 0 ) + F = 0.
上面的标准形式在梯度非零处都有正则局部参数表示。非退化圆锥曲线可采用前几节的参数式,直线则有常数非零切向量。若轨迹为两条直线,梯度条件排除了交点,局部只剩一条直线;重直线和孤立点处的梯度为零。旋转和平移保持参数表示的正则性。
沿这样的参数曲线对 f ( x ( t ) , y ( t ) ) = 0 f(x(t),y(t))=0 f ( x ( t ) , y ( t )) = 0 求导,链式法则在接触点给出
∇ f ( P ) ⋅ ( x ′ ( t ) , y ′ ( t ) ) = 0 \nabla f(P)\cdot(x'(t),y'(t))=0 ∇ f ( P ) ⋅ ( x ′ ( t ) , y ′ ( t )) = 0 ,所以非零梯度是法向量。这里先有正则曲线,再对方程求导;仅靠求导本身不能证明局部图像存在。竖直切线的法向量是水平的,同一个点法式仍然适用,无须使用斜率商式。
展开点法式,利用 f ( P ) = 0 f(P)=0 f ( P ) = 0 改写常数项,再除以二,就得对称公式。两个假设都不可省略:轨迹外的点不存在该处切线,奇异点的梯度方程则变为 0 = 0 0=0 0 = 0 。例如 x 2 − y 2 = 0 x^2-y^2=0 x 2 − y 2 = 0 的原点有两条交叉分支,上式不能为它们选出唯一的切线方向。
快速检查
若 A = C A=C A = C ,如何不除以 A − C A-C A − C 而消去混合项?
解答 · 检查 1 的答案 若 B = 0 B=0 B = 0 ,取 θ = 0 \theta=0 θ = 0 ;否则取 θ = π / 4 \theta=\pi/4 θ = π /4 ,此时 B ′ = B cos ( π / 2 ) = 0 B'=B\cos(\pi/2)=0 B ′ = B cos ( π /2 ) = 0 ,无须除以 A − C A-C A − C 。
分类 x 2 − 1 = 0 x^2-1=0 x 2 − 1 = 0 与 y − 1 = 0 y-1=0 y − 1 = 0 。为什么两者都可以有 Δ = 0 \Delta=0 Δ = 0 ?
解答 · 检查 2 的答案 前者是两条平行直线 x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 ,秩为一;后者是直线 y = 1 y=1 y = 1 ,秩为零。零判别式只记录二次部分奇异,并未指定其秩或一次项。
练习
用 θ = π / 4 \theta=\pi/4 θ = π /4 旋转 x y = 1 xy=1 x y = 1 ,确定所得标准形式。若改为 x y = 0 xy=0 x y = 0 ,结果怎样变化?
分类 x 2 + 4 y 2 − 2 x + 16 y + 17 = 0 x^2+4y^2-2x+16y+17=0 x 2 + 4 y 2 − 2 x + 16 y + 17 = 0 与 x 2 + 4 y 2 − 2 x + 16 y + 18 = 0 x^2+4y^2-2x+16y+18=0 x 2 + 4 y 2 − 2 x + 16 y + 18 = 0 。
求 x 2 + 4 y 2 = 4 x^2+4y^2=4 x 2 + 4 y 2 = 4 在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 与 ( 2 , 0 ) (2,0) ( 2 , 0 ) 处的切线。解释为什么第二条切线仍被定理涵盖。
分类秩零方程 2 x − y + 3 = 0 2x-y+3=0 2 x − y + 3 = 0 、0 = 0 0=0 0 = 0 、1 = 0 1=0 1 = 0 ,并指出哪个具有非零梯度。
引导解答
解答 · 解答 1 代入得 x y = ( X 2 − Y 2 ) / 2 xy=(X^2-Y^2)/2 x y = ( X 2 − Y 2 ) /2 ,故 x y = 1 xy=1 x y = 1 变为 X 2 / 2 − Y 2 / 2 = 1 X^2/2-Y^2/2=1 X 2 /2 − Y 2 /2 = 1 ,是半轴长均为 2 \sqrt2 2 的双曲线。对 x y = 0 xy=0 x y = 0 则得到 X 2 − Y 2 = 0 X^2-Y^2=0 X 2 − Y 2 = 0 ,即两条相交直线,在原坐标中就是两条坐标轴。
解答 · 解答 2 两式左侧分别化为 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 (x-1)^2+4(y+2)^2 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 与 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 + 1 (x-1)^2+4(y+2)^2+1 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 + 1 。因此前者的轨迹是单点 ( 1 , − 2 ) (1,-2) ( 1 , − 2 ) ,后者为空集。两者均有 Δ = − 16 \Delta=-16 Δ = − 16 ,只说明二次部分定号,不能断言为非退化椭圆。
解答 · 解答 3 梯度为 ( 2 x , 8 y ) (2x,8y) ( 2 x , 8 y ) ,在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 处为 ( 0 , 8 ) (0,8) ( 0 , 8 ) ,在 ( 2 , 0 ) (2,0) ( 2 , 0 ) 处为 ( 4 , 0 ) (4,0) ( 4 , 0 ) 。切线分别是 y = 1 y=1 y = 1 与 x = 2 x=2 x = 2 。两条法向量都非零;点法式直接涵盖竖直直线,不必把它写成以 x x x 为自变量的 y y y 的图像。
解答 · 解答 4 轨迹依次为直线、整个平面、空集。只有第一个多项式具有非零梯度 ( 2 , − 1 ) (2,-1) ( 2 , − 1 ) 。恒零多项式不施加任何限制;常数多项式 1 1 1 没有零点,因而没有接触点可讨论切线。