標準形式以外的選讀拓展
方程 x y = 1 xy=1 x y = 1 雖然沒有平方項,仍然表示雙曲線;旋轉座標軸後,便會出現熟悉的平方差形式。另一方面,出現平方項不代表實軌跡必定是一條曲線:x 2 + y 2 = 0 x^2+y^2=0 x 2 + y 2 = 0 的解集只有原點。要從方程辨認二次軌跡,除了座標軸的方向,亦須考察餘下的一次項和常數項。
焦點準線條件解釋了二次方程的來源。設焦點為 ( p , q ) (p,q) ( p , q ) ,準線為 u x + v y + w = 0 ux+vy+w=0 ux + v y + w = 0 ,離心率為 e > 0 e\gt0 e > 0 ,其中 u 2 + v 2 > 0 u^2+v^2\gt0 u 2 + v 2 > 0 且焦點不在準線上。條件為
( 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 ∣ .
兩邊非負,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。但逆向問題須謹慎:任意二次方程未必描述非退化的焦點準線圓錐曲線。即使二次部分不變,低次項仍可改變實軌跡。
對實系數寫
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 . 實軌跡是所有滿足 f ( x , y ) = 0 f(x,y)=0 f ( x , y ) = 0 的點的集合。二次部分為 A x 2 + B x y + C y 2 Ax^2+Bxy+Cy^2 A x 2 + B x y + C y 2 ,其判別式為 Δ = B 2 − 4 A C \Delta=B^2-4AC Δ = B 2 − 4 A C 。討論邊界情形時也允許 A = B = C = 0 A=B=C=0 A = B = C = 0 ,儘管此時方程的次數至多為一。
全式乘以非零常數不改變軌跡。座標旋轉與平移也保持距離及角度;它們改變同一集合的描述,不改變幾何類型。先旋轉消去混合項,再平移,便能看清哪些常數項與一次項仍決定形狀。
旋轉座標軸
將座標軸逆時針旋轉 θ \theta θ ,記 c = cos θ c=\cos\theta c = cos θ 、s = sin θ s=\sin\theta s = sin θ ,新座標為 ( X , Y ) (X,Y) ( X , Y ) 。新座標單位向量在原座標中分別為 ( c , s ) (c,s) ( c , s ) 與 ( − s , c ) (-s,c) ( − s , c ) 。同一點的兩組座標因此滿足
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 代入即可驗證逆公式。必須分清變換方向:旋轉座標軸與主動旋轉一個點,是兩種不同的描述,混淆它們容易弄錯符號。
代入後新方程的系數為
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 . 總能選擇實角使 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 .
證明: 先找出要消去的系數,再選擇角度
目標是消去 X Y XY X Y ,並非一次項。展開 A x 2 Ax^2 A x 2 、B x y Bxy B x y 與 C y 2 Cy^2 C y 2 ,混合項系數合計為 − 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 。其餘情形選擇滿足 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 位於
− π / 2 -\pi/2 − π /2 與 π / 2 \pi/2 π /2 之間。其餘弦非零,乘回餘弦便可驗證 B ′ = 0 B'=0 B ′ = 0 。這樣的分情況避免在 A = C A=C A = C 時除以零。
將 A ′ A' A ′ 、C ′ C' C ′ 的公式相加,B c s Bcs B cs 與 − B c s -Bcs − B cs 兩項抵消,即得跡的不變性。相減則得 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 。將此式與 B ′ B' B ′ 分別平方再相加,交叉乘積抵消,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 .
再減去已經證明不變的平方 ( A ′ + C ′ ) 2 = ( A + C ) 2 (A'+C')^2=(A+C)^2 ( A ′ + C ′ ) 2 = ( A + C ) 2 ,即得判別式恆等式。這說明任意旋轉都保持判別式,當然也包括用於消去混合項的旋轉。
之後的平移不改變二次系數,因為展開平移後的平方只新增一次項和常數項。因此 Δ \Delta Δ 也在平移下不變。這些不變量屬於選定的多項式方程;若全式乘以標量 r r r ,跡會乘以 r r r ,判別式會乘以 r 2 r^2 r 2 。所以非零倍縮放仍保持判別式的符號。
互動 · 探索
旋轉座標軸,保持橢圓不動
旋轉座標軸,找出 XY 係數為零的角度。
新座標 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 係數 ≈ 6 不成立:交叉項係數為零
B = 6 cos ( 2 θ ) B=6\cos(2\theta) B = 6 cos ( 2 θ ) ;在此範圍,B = 0 B=0 B = 0 當且僅當 θ = 45 ∘ \theta=45^\circ θ = 4 5 ∘ 。
要留意 固定橢圓為 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 。虛線軸表示新的 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 與 y = X sin θ + Y cos θ y=X\sin\theta+Y\cos\theta y = X sin θ + Y cos θ 。當角度為 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ ,混合項係數消失,同一橢圓的方程變為 8 X 2 + 2 Y 2 = 8 8X^2+2Y^2=8 8 X 2 + 2 Y 2 = 8 。改變的是座標,而非軌跡。
配方並保留全部情形
旋轉之後重新命名系數,寫成
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.
此處的小寫 e e e 是一次項系數,不是引入定義時的離心率。二次部分的秩指消去混合項後 α , γ \alpha,\gamma α , γ 中非零系數的個數。只有三種可能,普通配方即可完成分類,無須一般矩陣理論。
若二次部分的秩為二,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 。平移為 U = X − h U=X-h U = X − h 、V = Y − k V=Y-k V = Y − k 後有
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 同號,必要時全式乘以 − 1 -1 − 1 ,使兩者都為正,並同時改變 m m m 的符號。此時 m > 0 m\gt0 m > 0 為橢圓,m = 0 m=0 m = 0 為一個點,m < 0 m\lt0 m < 0 為空集。若兩系數異號,則 m ≠ 0 m\ne0 m = 0 為雙曲線,m = 0 m=0 m = 0 為兩條相交直線。
若秩為一,必要時交換座標角色,使 α ≠ 0 \alpha\ne0 α = 0 、γ = 0 \gamma=0 γ = 0 。只對已有的二次項配方,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 ,軌跡為拋物線。若 e = 0 e=0 e = 0 ,令 r = − g / α r=-g/\alpha r = − g / α ;
r > 0 r\gt0 r > 0 時為兩條平行直線,r = 0 r=0 r = 0 時為一條重直線,r < 0 r\lt0 r < 0 時無實點。
若秩為零,方程為 d X + e Y + f = 0 dX+eY+f=0 d X + e Y + f = 0 。當 ( d , e ) ≠ ( 0 , 0 ) (d,e)\ne(0,0) ( d , e ) = ( 0 , 0 ) 時為直線,當 d = e = f = 0 d=e=f=0 d = e = f = 0 時為整個平面,其餘情形為空集。
同號情形的依據是正系數平方和總非負,且僅在兩個變量都為零時為零。
m m m 為正時,除以 m m m 得半軸長 m / α \sqrt{m/\alpha} m / α 、m / γ \sqrt{m/\gamma} m / γ 。異號情形經過必要的交換或全式變號,可寫為 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 。右側非零時可化為兩種朝向之一的標準雙曲線;右側為零時分解成
( 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 ,得到兩條不同的相交直線。
秩一且 e ≠ 0 e\ne0 e = 0 時,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 ,其拋物線系數非零,開口由 − e / α -e/\alpha − e / α 的符號決定。由於不存在 Y 2 Y^2 Y 2 項,不能把 e Y eY e Y 吸收到關於 Y Y Y 的平方中。若 e = 0 e=0 e = 0 ,每個允許的 U U U 值都讓 Y Y Y 自由變化,所以每個實根給出整條直線。重直線在幾何上只是一條線,但在多項式中對應重複因子。秩零的結論則來自求解真正的一次方程,或直接判斷常數等式。
反例模式
判別式為正並不能排除相交直線 方程 x 2 − y 2 = 0 x^2-y^2=0 x 2 − y 2 = 0 的判別式為 Δ = 4 > 0 \Delta=4\gt0 Δ = 4 > 0 ,卻能分解為
( x − y ) ( x + y ) = 0 (x-y)(x+y)=0 ( x − y ) ( x + y ) = 0 ,軌跡是 y = x y=x y = x 與 y = − x y=-x y = − x 的並集,並非非退化雙曲線。只改變常數項得到 x 2 − y 2 = 1 x^2-y^2=1 x 2 − y 2 = 1 ,才是具有相同判別式的雙曲線。
正判別式所確定的是二次部分不定號,配方後仍須檢查剩餘常數是否為零。同樣,負判別式容許橢圓、單點或空集;零判別式則須繼續檢查保留的一次項與秩。
圓要求 A = C ≠ 0 A=C\ne0 A = C = 0 且 B = 0 B=0 B = 0 。上述證明中的恆等式表明,旋轉後對角系數相等且混合項為零,會迫使原來的 B 2 + ( A − C ) 2 = 0 B^2+(A-C)^2=0 B 2 + ( A − C ) 2 = 0 。此時全式除以 A A A 並配方,圓心為 ( − 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 才給出真正的圓;等於零時僅剩圓心,小於零時無實點。二次系數相等本身並不能保證半徑為正。
分類例題
分類下列方程,並確定其軸:
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. 此處 Δ = − 144 \Delta=-144 Δ = − 144 ,二次部分定號。取 c = 2 / 5 c=2/\sqrt5 c = 2/ 5 、s = 1 / 5 s=1/\sqrt5 s = 1/ 5 ,滿足 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. 右側為正,現在才確認是實橢圓。旋轉座標中的中心為 ( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) ,換回原座標是 ( 0 , 5 ) (0,\sqrt5) ( 0 , 5 ) 。沿 ( 2 , 1 ) / 5 (2,1)/\sqrt5 ( 2 , 1 ) / 5 的半軸長為 3 3 3 ,沿 ( − 1 , 2 ) / 5 (-1,2)/\sqrt5 ( − 1 , 2 ) / 5 的半軸長為 2 2 2 。畫圖時先標中心,再沿這兩個單位方向分別加減相應長度,得到四個軸端點。單憑判別式並不能求出中心或軸長。
例題 11.4.5
(例 2:一次項區分拋物線與平行直線)
考慮 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 。雖然 Δ = 0 \Delta=0 Δ = 0 ,也不能丟棄一次部分。取 θ = π / 4 \theta=\pi/4 θ = π /4 ,則 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 ,方程變成 2 X 2 + 2 2 Y = 0 2X^2+2\sqrt2Y=0 2 X 2 + 2 2 Y = 0 ,是沿負 Y Y Y 方向開口的拋物線。
對比 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 ,同一旋轉給出 X 2 = 1 X^2=1 X 2 = 1 ,即兩條平行直線 x + y = ± 2 x+y=\pm\sqrt2 x + y = ± 2 。把 − 2 -2 − 2 換為 0 0 0 得重直線 x + y = 0 x+y=0 x + y = 0 ;換為 2 2 2 則得空集。四個方程的二次部分相同,軌跡之所以不同,必須由剩餘項判斷。
例題 11.4.6
(例 3:相同定號二次部分的三種結果)
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 總有 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 時為圓心 ( 1 , − 2 ) (1,-2) ( 1 , − 2 ) 、半徑 2 2 2 的圓;c = 5 c=5 c = 5 時僅有點 ( 1 , − 2 ) (1,-2) ( 1 , − 2 ) ;
c = 6 c=6 c = 6 時為空集。相同的中心計算在三種情況下都有用,但右側為負時,不能通過取實平方根來指定半徑。
二次部分的矩陣觀點
概念視角 代數
對稱矩陣記錄同一個二次表達式 定義欄向量 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 ) . 則 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 :兩個非對角乘積各貢獻混合項的一半。座標變換是 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 . 最後一個等式由左乘 O O O 、右乘 O T O^T O T 得到。矩陣乘法有次序要求;這兩個公式表示互逆的變換,不能任意交換排列。選擇使 B ′ = 0 B'=0 B ′ = 0 的角,就使 Q ′ Q' Q ′ 成為對角矩陣。這正是前面已用三角函數證明的旋轉過程的矩陣描述。
跡是對角元素之和 A + C A+C A + C ,行列式為 A C − B 2 / 4 = − Δ / 4 AC-B^2/4=-\Delta/4 A C − B 2 /4 = − Δ/4 。由於 det O = 1 \det O=1 det O = 1 ,對 Q ′ = O T Q O Q'=O^TQO Q ′ = O T QO 取行列式可知行列式不變;跡不變已經由系數計算證明。因此矩陣只是把同樣的兩個不變量整合起來。一次部分須另行變換為 ( D , E ) O Z (D,E)OZ ( D , E ) O Z ,故單靠二次部分的矩陣不能判斷所有實軌跡。
切線要求接觸點為正則點
梯度 ∇ f = ( f x , f y ) \nabla f=(f_x,f_y) ∇ f = ( f x , f y ) 由兩個偏導數組成。
雙曲線的推導
已說明:沿曲線對方程求導,所得梯度與切線垂直。一般二次軌跡卻可能有交叉分支,甚至只有一個孤立點,故這裏必須保留梯度非零的條件。
定理 11.4.7
(二次軌跡在正則點處的切線公式)
設 P = ( x 0 , y 0 ) P=(x_0,y_0) P = ( x 0 , y 0 ) 滿足 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 ) . 則切線為 ∇ 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 ,等價地為
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.
上述標準形式在梯度非零的點均有正則局部參數表示。非退化圓錐曲線已有前幾節的參數式,直線亦有常數非零切向量。若軌跡由兩條直線組成,梯度條件排除了交點,局部只會見到一條直線;重直線及孤立點上的梯度均為零。旋轉和平移則保留參數表示的正則性。
沿這樣的參數曲線對 f ( x ( t ) , y ( t ) ) = 0 f(x(t),y(t))=0 f ( x ( t ) , y ( t )) = 0 求導,鏈式法則給出
∇ f ( P ) ⋅ ( x ′ ( t ) , y ′ ( t ) ) = 0 \nabla f(P)\cdot(x'(t),y'(t))=0 ∇ f ( P ) ⋅ ( x ′ ( t ) , y ′ ( t )) = 0 ,故非零梯度可作為法向量。論證先有正則曲線,才對方程求導;單憑求導並不能建立局部圖像的存在性。鉛直切線的法向量是水平的,仍可直接使用同一點法式,毋須計算斜率的商。
展開點法式,利用 f ( P ) = 0 f(P)=0 f ( P ) = 0 改寫常數項,再除以二,就得對稱公式。兩個假設都不可省略:軌跡外的點不存在該處切線,奇異點的梯度方程則變為 0 = 0 0=0 0 = 0 。例如 x 2 − y 2 = 0 x^2-y^2=0 x 2 − y 2 = 0 的原點有兩條交叉分支,上式不能為它們選出唯一的切線方向。
快速檢查
若 A = C A=C A = C ,如何不除以 A − C A-C A − C 而消去混合項?
解答 · 檢查 1 的答案 若 B = 0 B=0 B = 0 ,取 θ = 0 \theta=0 θ = 0 ;否則取 θ = π / 4 \theta=\pi/4 θ = π /4 ,此時 B ′ = B cos ( π / 2 ) = 0 B'=B\cos(\pi/2)=0 B ′ = B cos ( π /2 ) = 0 ,毋須除以 A − C A-C A − C 。
分類 x 2 − 1 = 0 x^2-1=0 x 2 − 1 = 0 與 y − 1 = 0 y-1=0 y − 1 = 0 。為甚麼兩者都可以有 Δ = 0 \Delta=0 Δ = 0 ?
解答 · 檢查 2 的答案 前者是兩條平行直線 x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 ,秩為一;後者是直線 y = 1 y=1 y = 1 ,秩為零。零判別式只記錄二次部分奇異,並未指定其秩或一次項。
練習
用 θ = π / 4 \theta=\pi/4 θ = π /4 旋轉 x y = 1 xy=1 x y = 1 ,確定所得標準形式。若改為 x y = 0 xy=0 x y = 0 ,結果怎樣變化?
分類 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 與 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 ) 與 ( 2 , 0 ) (2,0) ( 2 , 0 ) 處的切線。解釋為甚麼第二條切線仍被定理涵蓋。
分類秩零方程 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 ,並指出哪個具有非零梯度。
引導解答
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 變為 X 2 / 2 − Y 2 / 2 = 1 X^2/2-Y^2/2=1 X 2 /2 − Y 2 /2 = 1 ,是半軸長均為 2 \sqrt2 2 的雙曲線。對 x y = 0 xy=0 x y = 0 則得到 X 2 − Y 2 = 0 X^2-Y^2=0 X 2 − Y 2 = 0 ,即兩條相交直線,在原座標中就是兩條座標軸。
解答 · 解答 2 兩式左側分別化為 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 (x-1)^2+4(y+2)^2 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 與 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 + 1 (x-1)^2+4(y+2)^2+1 ( x − 1 ) 2 + 4 ( y + 2 ) 2 + 1 。因此前者的軌跡是單點 ( 1 , − 2 ) (1,-2) ( 1 , − 2 ) ,後者為空集。兩者均有 Δ = − 16 \Delta=-16 Δ = − 16 ,只說明二次部分定號,不能斷言為非退化橢圓。
解答 · 解答 3 梯度為 ( 2 x , 8 y ) (2x,8y) ( 2 x , 8 y ) ,在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 處為 ( 0 , 8 ) (0,8) ( 0 , 8 ) ,在 ( 2 , 0 ) (2,0) ( 2 , 0 ) 處為 ( 4 , 0 ) (4,0) ( 4 , 0 ) 。切線分別是 y = 1 y=1 y = 1 與 x = 2 x=2 x = 2 。兩條法向量都非零;點法式直接涵蓋鉛直直線,不必把它寫成以 x x x 為自變量的 y y y 的圖像。
解答 · 解答 4 軌跡依次為直線、整個平面、空集。只有第一個多項式具有非零梯度 ( 2 , − 1 ) (2,-1) ( 2 , − 1 ) 。恆零多項式不施加任何限制;常數多項式 1 1 1 沒有零點,因而沒有接觸點可討論切線。