二次曲线的定义

1、二次曲线的定义第1页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日一、二次曲线的代数定义 定义1 坐标满足的所有点 (x1, x2, x3) 的集合称为一条二阶曲线. 其中 (aij) 为三阶实对称阵, 秩 (aij)1。 定义1 坐标满足的所有直线 u1, u2, u3 的集合称为一条二级曲线. 其中 (bij) 为三阶实对称阵, 秩 (bij)1。二次曲线的射影定义 定义2 如果 T 可以分解为两个一次因式的乘积，则称 T = 0 为退化二级曲线，否则称为非退化二级曲线。 定义2 如果 S 可以分解为两个一次因式的乘积，则称 S = 0 为退化二阶曲线，否则称为非退化二阶曲线。第2

2、页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日命题 S = 0 退化 |aij| = 0.二次曲线的射影定义 注1. S, T 均为高等代数中的实三元二次型。从代数上看，S = 0和T = 0 为相同的代数对象；从几何上看，它们是同一几何对象的不同描述，因此统称为二次曲线。 注2. 在需要时，S = 0和T = 0 均可写为矩阵格式： 注3. 由对偶原则，我们一般仅讨论二阶曲线，其结论均可对偶地适用于二级曲线。第3页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日二、二次曲线的几何结构 定理1 不同心的两个射影线束对应直线交点的全体构成一条经过此二线束束心的二阶曲线 .注：若已

3、知两个射影线束 A + B A + B 的对应式则由此构成的二阶曲线方程为 定理2 设二阶曲线 由射影线束 O(P) 与 O(P) 生成，则在 上任意取定相异二点 A和B，与 上的动点 M 连线可得两个射影线束 注：由本定理, 一旦二阶曲线由两个射影线束生成，则其上点的地位平等，以曲线上任意相异二点为束心与曲线上的点连线则得到两个也生成此曲线的射影线束。二次曲线的射影定义第4页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日定理2的证明. 设 由 O(P) O(P) 生成，需证设所以只要证设分别以AM, BM截得注意到从而对应点的连线共点，即 AA, BB, KK 共点于 S。但是为定点

4、，故当 M 变动时，KK 经过定点 S，即二次曲线的射影定义则有第5页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日 推论1 平面上五点(其中无三点共线)唯一确定一条非退化二阶曲线。 推论1 平面上五直线(其中无三线共点)唯一确定一条非退化二级曲线。 推论2 任一二阶曲线可由两个射影线束生成。 推论2 任一二级曲线可由两个射影点列生成。 推论3 二阶曲线上四个定点与其上任意一点连线所得四直线的交比为定值。 推论3 二级曲线上四条定直线被其上任意一条直线所截得四点的交比为定值。 注：推论3对于解析几何中的各种二次曲线都适用。二次曲线的射影定义第6页，共20页，2022年，5月20日，8点

5、22分，星期日三、二次曲线的射影定义 由上述的两个定理及其推论，我们有 定义3 在射影平面上，称两个射影线束对应直线交点的集合为一条二阶曲线。 定义3 在射影平面上，称两个射影点列对应点连线的集合为一条二级曲线。 思考：试研究本定义是如何包含退化二次曲线的。提示：考虑透视对应、射影变换的情况。二次曲线的射影定义第7页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日 例1 求由两个射影线束 x1 x3 = 0, x2 x3 = 0 ( + = 1) 生成的二阶曲线方程。 解 令利用定理1的证明，此二射影线束生成的二阶曲线的方程为由 + = 1 得 a = 0, b = c = 1, d =

6、 1 , 代入上式得即这是一条退化的二阶曲线。二次曲线的射影定义第8页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日四、二阶曲线的切线本部分总假定：所论二次曲线为非退化的.1. 定义 定义4 与二阶曲线 交于两个重合的点的直线称为 的切线。二次曲线的射影定义第9页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日四、二阶曲线的切线2、切线的方程问题：已知二阶曲线求过定点 P(p1, p2, p3) 的 的切线方程。 设 Q(q1,q2,q3)为平面上任一点，则直线 PQ 上任一点可表为 xi = pi + qi 。 PQ 为 的切线 PQ 交 于两个重合的点 将 xi = pi +

7、 qi 代入 ：S = 0 后只有一个解。代入得即二次曲线的射影定义第10页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日为简便计，我们引入记号代入(2)式得二次曲线的射影定义整理得第11页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日从而Q(q1,q2,q3) 在过 P(p1, p2, p3) 的切线上 (3) 对 有二重根 (4) 式即为 Q(q1,q2,q3)是 过 P(p1, p2, p3) 的切线上的点的充要条件。习惯地，将其中的流动坐标 qi 换为 xi ，得到二阶曲线过点 P(p1, p2, p3) 的切线方程为(5) 式为一个二次方程，故经过平面上一点 P 一般

8、有两条切线。 如果 P 在 上，则 Spp = 0，从而，二阶曲线上一点 P 处的切线方程为二次曲线的射影定义第12页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日注：Sp = 0 常用的等价写法请自行证明这三种写法确实都与Sp=0等价.(3)式与解析几何中的切线方程一致二次曲线的射影定义第13页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日五、二级曲线的切点设 1.切点的定义2. 切点方程一般 ( 在l上的切点)：特殊 ( l 属于 )：二次曲线的射影定义 一般地，过平面上一点有 的两条直线。若过平面上某点 P 有且仅有 的一条直线，则称 P 为 的一个切点。第14页，共20

9、页，2022年，5月20日，8点22分，星期日 例2 如果两个三点形 ABC 与 ABC 同时内接于一条二次曲线， 求证它们也同时外切于一条二次曲线。证. 设交点 D, E; D, E 如图。 因为 A, B, C, A, B, C 在同一条二次曲线上，据二阶曲线的射影定义有又 由二级曲线的射影定义，这两个射影点列的对应点连线以及点列的底共六条直线属于同一条二级曲线，这六条直线恰好是已知两个三点形的六条边。结论成立。注：本题的逆命题成立。 二次曲线的射影定义第15页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日六、二阶曲线与二级曲线的统一 定理3(Maclaurin) 一条非退化二阶曲

10、线的全体切线构成一条非退化二级曲线。 定理3 (Maclaurin) 一条非退化二级曲线的全体切点构成一条非退化二阶曲线。设由本定理，u1,u2,u3 为 上一点处的切线展开, 得注：本定理提供了二次曲线的点坐标、线坐标方程互化方法。 推论4 若 bij = Aij ( 0 )，则 S aijxixj= 0 与 T bijuiuj = 0 表示同一条二次曲线。二次曲线的射影定义第16页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日 例3 求证：x1x3 x22 = 0 与 4u1u3 u22 = 0 表示同一条二次曲线. 证明. 第一步. 验证已知两条二次曲线为非退化.第二步. 将 a

11、ij, u1, u2, u3 代入 (13) 式, 展开即得 4u1u3 u22 = 0.二次曲线的射影定义第17页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日七、二阶曲线束 定理4.4 平面上两条相异的二阶曲线一般有四个交点. 证明. 设1：faijxixj=0, 2： gbijxixj=0, 则联立即为1与2的交点, 显然, 在复数范围内一般有四个解. 定义4.5 设f=0, g=0为平面上两条相异的二阶曲线. 则称由所决定的二阶曲线的全体为以f=0, g=0的四个交点为基点的二阶曲线束. 若f=0, g=0的四个交点相异, 则称为二阶曲线的四点形束. 定理4.5 经过平面上任一

12、点P(非基点), 必有一条二阶曲线属于已知束f+g=0. 证明. 因为P不是f=0与g=0的交点, 故fpp与gpp不同时为零. 不妨设gpp0. 令则f+0g=0为过P且属于 f+g=0的二阶曲线.二次曲线的射影定义第18页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日 定理4.6 平面上任一二阶曲线束中必有三条退化的二阶曲线, 它们是以四个基点为顶点的完全四点形的三双对边. 注：对定理4.6的直观理解.如图, 三条相异的退化二阶曲线为：实用性很强的两种极限形式如下：只有两条相异.只有两条相异.二次曲线的射影定义第19页，共20页，2022年，5月20日，8点22分，星期日 例4 已知二阶曲线过点A(1,0,1), C(0,0,1), E(3,2,1)