圆锥曲线中对偶的"点与线"的本质含义及其研究

48

数学通报2015年第54卷第1期

圆锥曲线中对偶的“点与线”的

本质含义及其研究

赵临龙

(安康学院数学与应用数学研究所

725000)

近来,有关圆锥曲线中对偶的“点与线”问题,(双曲线)而言,若将“顶点弦A,A。”改为一般情形不断出现在中学数学期刊中,产生一系列的“新”“过定点D的弦AB”,则结论仍成立.进一步得到结论.我们说,这些结论只不过是射影几何中早就了圆锥曲线中与定点弦有关的一组对偶元素的3成熟的结论。现借本刊提出来,以引起广大的中学个命题.

数学研究人员的高度重视,在未来的初等数学研2014年,文[3]利用帕斯卡定理和笛沙格定究中,真正给出具有创新性的新成果.

理,将点D从坐标轴上推广到一般情况,给出31

圆锥曲线中对偶的“点与线”的提出

个定理和4个结论.

2010年,文[1]给出圆锥曲线中对偶的“点与

我们说,这些结论是射影几何的二次曲线“极线”的概念.

点与极线”的问题,现作以下讨论.定义[11

在抛物线中,点D在抛物线的对称

2极点与极线的理论

轴上且与焦点同侧,直线z与对称轴垂直且与焦定义【43

如图1.给定二次曲线r,如果两点

点异侧,若点D与直线z到抛物线的顶点等距离,P、Q(P不在r上)的连线交11于A、B两点,若点则称点D与直线z为“对偶元素”;在椭圆(双曲列P、Q;A、B满足:

线)中,点D在长轴(实轴)所在的对称轴上,直线z与该对称轴垂直且与曲线无交点,若点D与直嚣一一嚣(式中线段为有向线段)

(1)

线z在椭圆(双曲线)中心的同侧,且它们到椭圆则点Q轨迹为直线Z,并且(双曲线)中心的距离的乘积为长半轴(实半轴)长称直线z为点P关于r的的平方,则称点D与直线z为“对偶元素”.

极线,点P为直线Z关于rP

文[1]用解析几何知识,给出2个定理.的极点.

定理1在圆锥曲线C中,A。,A。是它的两在射影几何中,还有个顶点(抛物线的另一个顶点在开口无限远的地以下结论.

图1

方),已知定点P和直线z是“对偶元素”,过定点定理3[4]

如图1.对于二次曲线11:

D作直线z。交圆锥曲线于M,N两点,则直线A,口z2+26z了+c扩+2dz+2已y+厂一o(2)

M,AzN的交点P在直线Z上.

若设极点P坐标为P(z。,蛳),则点Q(z,y)轨迹

定理2

(定理1的逆命题)

在圆锥曲线C

为直线z:

中,A。,A。是它的两个顶点(抛物线的另一个顶点口zoz+6(3,oz+zoy)+c3,o了+d(zo+z)+在开口无限远的地方),已知定点P和直线z是P(帅+y)+,=O

(3)

“对偶元素”,圆锥曲线上两点M,N,若直线A,推论l[4]

如图2.若点P关于二次曲线11

M,A。N的交点P在直线z上,则过M,N两点的极线为z,则Z上一点Q关于二次曲线r的极线

的直线Z。过定点D.

Z7必过点P.

2011年,文[2]借助几何画板发现,对于椭圆

万方数据

2015年第54卷第1期

_——————————————————————————————————————————————————————一

数学通报

49

图2

推论2[43如图2.若点P关于二次曲线r

的极线z上的点Q在z上移动,则点Q关于二次曲线11的极线z7绕点P转动.

推论3嘲

如图2.两极点P、Q对应极线分

别是z和z7,则z和z7的交点R关于二次曲线r的极线为直线PQ.

若规定二次曲线r上的点Q的极线为过切点Q与r相切的直线,则极线方程仍然为(3).

推论4

过二次曲线r外一点P(z。,蛳)引11

的两切线PA、PB(A、B分别为切点),则极点P关于二次曲线11的极线为切点弦AB,其极线方程形式为(3).

由于两极点A、B对应极线分别是切线PA和PB,则PA和PB的交点P关于11的极线为直线AB.

3极点与极线理论的应用

3.1二次曲线对偶的点和直线的几何含义

1。对于非中心曲线的抛物线11:y2—2pz,若取极点D(z。,弘),则极线方程是z:yoy—p(z+z。).此时,若令弘一O,则极线方程是z:z一一zo,

即l

l—Iz。1.

即表明,点D在抛物线的对称轴上且与焦点同侧,直线z与对称轴垂直且与焦点异侧,而且点D与直线z到抛物线的顶点等距离,这正好是文[1]的“对偶元素”概念.

..2

2。对于中心曲线11:事±旁一1,若取极点

一2

D(工。,了。),则极线方程是z:等±铲一1.此时,

若令蛳一o,则极线方程是z:z一},即

一2

z。I一口2.

即表明,点D在椭圆长轴(双曲线实轴)所在

的对称瓶E,直线z与该对称轴垂直且与曲线无

交点,若点D与直线Z在椭圆(双曲线)中心的同

万方数据

侧,且它们到椭圆(双曲线)中心的距离的乘积为长半轴(实半轴)长的平方,这正好是文[1]的“对偶元素”概念.

3。对于二次曲线11的极线z:Az+By+C—O(AC≠0),则极点D(z。,了。)为:

(1)椭圆11:事+葶一1(n>6>o),

D(一等,一警);

(2)双曲线r:争一旁21(a>o,6>o),

D(一等,警);

(3)抛物线脚z嘞加(一等,警).

对于椭圆r:事+芳一1(n>6>o),由极线方

程z:等+铲。1和r的极线z:Az+By+c—o

(Ac≠o),得:寿2盏一一丢,则极点坐标为

D(一会},一警).当椭圆r为圆c:z2+y2一R2

时,极点坐标为D(一争2,一争2).这正是文

[3]的结论1—2,同理,可求得双曲线和抛物线的

极点坐标,即有文[3]的结论3—4.3.2二次曲线对偶的点和直线的理论结果

现给出二次曲线极点与极线的几何图形.‘43如图3.过二次曲线11内一定点S,作两弦AB、CD,连接AC与BD交于点P,连接AD与BC交于点Q,则直线PQ是极点S关于11的极线.

、?N

7挝,

‘\

2|.。?。...一・・・l。。。。。。。。一

图3

(下转第51页)

2015年第54卷第1期数学通报

51

组和第六组观测数据的y值相等,而z值不同,z的解释作用是不同的;

这更加直接地说明了回归直线与观测数据之间存第二,文[1]误认为两种回归应得到同一条直在偏差.

线,很可能是将用回归直线对观测数据进行拟合文[1]中有如下一段:“就正常推理来说,y—和以观测数据为节点进行函数插值两个概念混n+6z与z一口7+67了两个式子中的z,y应该完

淆,后者不带有偏差项.

全一样,即由z—n7+67y得y。一争+旁z,与

文[1]作者似乎早已发现其中有不妥,紧接下

来文[1]利用柯西不等式对667的值进行了探究,f专一6

发现只有在特殊情况下才能得出拍7=1的结论.y一口+6z完全相同,从而有{。

对于这一点,笔者对文[1]作者的探索精神十分赞

l一争。口

赏.其实文[1]已推出结论:667=,.2,这里r就是变

f667一】

量z与变量y的相关系数,其绝对值恒不大于1.

即{,,5一n,,上面的问题显然不符合.”结合前

I口D

至于文[1]后半部分的论述,文[1]认为可以述的分析和推导,这一段的叙述就是明显错误的利用“最小绝对值”求解回归曲线并认为“具体问了,错误的原因正是忽视了用最小二乘法求得的回题具体分析更好”.事实上,最小二乘法具有解决归直线方程与已知观测数据间存在偏差项,并非是求线性回归方程问题的一般性,在实践中被广泛恰好拟合.关于这一错误,笔者认为需要强调两点:

应用,这一点是其他方法无法替代的.

第一,正是因为有偏差项的存在,导致了在同一坐标系中,用z对y做回归与用y对z做回归参考文献

1王连福.用“最小二乘法”求线性回归方程的质疑[J].数学通

所得的回归直线不是同一条直线,这也说明了在报,2013,10:39—41

文[1]开头的“问题”中,z对y的解释作用同y对(上接第49页)

M、N在r上,其极点M、N关于r的极线为r的1。如图3.对于圆锥曲线11内的极点S(对于有心切线,而两极线(切线)的交点P为极点的极线必圆锥曲线,不包含其中心),则极线z必过点P、Q,过两极点M、N,则极点P的极线是切点弦MN.即对于圆锥曲线r任意两条弦AC、BD相交于点于是,点P在极线PQ上的充要条件是极线MNP,则直线AD与BC的交点Q必落在极线z上.过极点s.这正是文[3]的定理3的结论.

这正是文[3]的定理1的结论.

从这里可见,完全可利用二次曲线的极点与如图3.若对于中心曲线11内的极点S在其极线作出它的切线.如图3.若点P为圆锥曲线11中心S,则由SA—SB,SC=SD,得平行四边形外一点,过点P作直线PAC和PBD交r分别于ADBC,则AC与BD交于无穷远点P。,AD与A、C和B、D,连接AD,BC交于Q,连接AB,CDBC交于无穷远点Q。。(就像平行的太阳光一样交交于S,连接QS交r于M、N,连接PM,PN,则

于无穷远处的太阳),即极线P。。(k为无穷远线z。。.

PM、PN即为r的切线.

推论5

对于中心曲线r内的极点S在其中

心,则其极线为无穷远线Z。。.

参考文献

2。如图3.对于圆锥曲线r外的极点P,作两1

张朝阳.圆锥曲线中与顶点有关的一组对偶元素性质口].数

直线PAC、PBD,连接AB与CD交于点S,连接学通报,2010,3

2曹军.圆锥曲线中与定点弦有关一组对偶元素性质[J].数学

AD与BC交于点Q,则直线SQ是极点P关于11通报,2011,9

的极线.即圆锥曲线r的两弦AB、CD必交予极3孙四周.圆锥曲线中任意点和它的对偶直线[J].数学通报,

线QS上的点S.这正是文[3]的定理2的结论.

Z014。2

3。如图3.对于圆锥曲线j1的切线情况.若极4周振荣、赵临龙.高等几何[M].武汉:华中师范大学出版

社,2013

点P关于r的极线QS交r于两点M、N,则点

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数学通报2015年第54卷第1期

圆锥曲线中对偶的“点与线”的

本质含义及其研究

赵临龙

(安康学院数学与应用数学研究所

725000)

近来,有关圆锥曲线中对偶的“点与线”问题,(双曲线)而言,若将“顶点弦A,A。”改为一般情形不断出现在中学数学期刊中,产生一系列的“新”“过定点D的弦AB”,则结论仍成立.进一步得到结论.我们说,这些结论只不过是射影几何中早就了圆锥曲线中与定点弦有关的一组对偶元素的3成熟的结论。现借本刊提出来,以引起广大的中学个命题.

数学研究人员的高度重视,在未来的初等数学研2014年,文[3]利用帕斯卡定理和笛沙格定究中,真正给出具有创新性的新成果.

理,将点D从坐标轴上推广到一般情况,给出31

圆锥曲线中对偶的“点与线”的提出

个定理和4个结论.

2010年,文[1]给出圆锥曲线中对偶的“点与

我们说,这些结论是射影几何的二次曲线“极线”的概念.

点与极线”的问题,现作以下讨论.定义[11

在抛物线中,点D在抛物线的对称

2极点与极线的理论

轴上且与焦点同侧,直线z与对称轴垂直且与焦定义【43

如图1.给定二次曲线r,如果两点

点异侧,若点D与直线z到抛物线的顶点等距离,P、Q(P不在r上)的连线交11于A、B两点,若点则称点D与直线z为“对偶元素”;在椭圆(双曲列P、Q;A、B满足:

线)中,点D在长轴(实轴)所在的对称轴上,直线z与该对称轴垂直且与曲线无交点,若点D与直嚣一一嚣(式中线段为有向线段)

(1)

线z在椭圆(双曲线)中心的同侧,且它们到椭圆则点Q轨迹为直线Z,并且(双曲线)中心的距离的乘积为长半轴(实半轴)长称直线z为点P关于r的的平方,则称点D与直线z为“对偶元素”.

极线,点P为直线Z关于rP

文[1]用解析几何知识,给出2个定理.的极点.

定理1在圆锥曲线C中,A。,A。是它的两在射影几何中,还有个顶点(抛物线的另一个顶点在开口无限远的地以下结论.

图1

方),已知定点P和直线z是“对偶元素”,过定点定理3[4]

如图1.对于二次曲线11:

D作直线z。交圆锥曲线于M,N两点,则直线A,口z2+26z了+c扩+2dz+2已y+厂一o(2)

M,AzN的交点P在直线Z上.

若设极点P坐标为P(z。,蛳),则点Q(z,y)轨迹

定理2

(定理1的逆命题)

在圆锥曲线C

为直线z:

中,A。,A。是它的两个顶点(抛物线的另一个顶点口zoz+6(3,oz+zoy)+c3,o了+d(zo+z)+在开口无限远的地方),已知定点P和直线z是P(帅+y)+,=O

(3)

“对偶元素”,圆锥曲线上两点M,N,若直线A,推论l[4]

如图2.若点P关于二次曲线11

M,A。N的交点P在直线z上,则过M,N两点的极线为z,则Z上一点Q关于二次曲线r的极线

的直线Z。过定点D.

Z7必过点P.

2011年,文[2]借助几何画板发现,对于椭圆

万方数据

2015年第54卷第1期

_——————————————————————————————————————————————————————一

数学通报

49

图2

推论2[43如图2.若点P关于二次曲线r

的极线z上的点Q在z上移动,则点Q关于二次曲线11的极线z7绕点P转动.

推论3嘲

如图2.两极点P、Q对应极线分

别是z和z7,则z和z7的交点R关于二次曲线r的极线为直线PQ.

若规定二次曲线r上的点Q的极线为过切点Q与r相切的直线,则极线方程仍然为(3).

推论4

过二次曲线r外一点P(z。,蛳)引11

的两切线PA、PB(A、B分别为切点),则极点P关于二次曲线11的极线为切点弦AB,其极线方程形式为(3).

由于两极点A、B对应极线分别是切线PA和PB,则PA和PB的交点P关于11的极线为直线AB.

3极点与极线理论的应用

3.1二次曲线对偶的点和直线的几何含义

1。对于非中心曲线的抛物线11:y2—2pz,若取极点D(z。,弘),则极线方程是z:yoy—p(z+z。).此时,若令弘一O,则极线方程是z:z一一zo,

即l

l—Iz。1.

即表明,点D在抛物线的对称轴上且与焦点同侧,直线z与对称轴垂直且与焦点异侧,而且点D与直线z到抛物线的顶点等距离,这正好是文[1]的“对偶元素”概念.

..2

2。对于中心曲线11:事±旁一1,若取极点

一2

D(工。,了。),则极线方程是z:等±铲一1.此时,

若令蛳一o,则极线方程是z:z一},即

一2

z。I一口2.

即表明,点D在椭圆长轴(双曲线实轴)所在

的对称瓶E,直线z与该对称轴垂直且与曲线无

交点,若点D与直线Z在椭圆(双曲线)中心的同

万方数据

侧,且它们到椭圆(双曲线)中心的距离的乘积为长半轴(实半轴)长的平方,这正好是文[1]的“对偶元素”概念.

3。对于二次曲线11的极线z:Az+By+C—O(AC≠0),则极点D(z。,了。)为:

(1)椭圆11:事+葶一1(n>6>o),

D(一等,一警);

(2)双曲线r:争一旁21(a>o,6>o),

D(一等,警);

(3)抛物线脚z嘞加(一等,警).

对于椭圆r:事+芳一1(n>6>o),由极线方

程z:等+铲。1和r的极线z:Az+By+c—o

(Ac≠o),得:寿2盏一一丢,则极点坐标为

D(一会},一警).当椭圆r为圆c:z2+y2一R2

时,极点坐标为D(一争2,一争2).这正是文

[3]的结论1—2,同理,可求得双曲线和抛物线的

极点坐标,即有文[3]的结论3—4.3.2二次曲线对偶的点和直线的理论结果

现给出二次曲线极点与极线的几何图形.‘43如图3.过二次曲线11内一定点S,作两弦AB、CD,连接AC与BD交于点P,连接AD与BC交于点Q,则直线PQ是极点S关于11的极线.

、?N

7挝,

‘\

2|.。?。...一・・・l。。。。。。。。一

图3

(下转第51页)

2015年第54卷第1期数学通报

51

组和第六组观测数据的y值相等,而z值不同,z的解释作用是不同的;

这更加直接地说明了回归直线与观测数据之间存第二,文[1]误认为两种回归应得到同一条直在偏差.

线,很可能是将用回归直线对观测数据进行拟合文[1]中有如下一段:“就正常推理来说,y—和以观测数据为节点进行函数插值两个概念混n+6z与z一口7+67了两个式子中的z,y应该完

淆,后者不带有偏差项.

全一样,即由z—n7+67y得y。一争+旁z,与

文[1]作者似乎早已发现其中有不妥,紧接下

来文[1]利用柯西不等式对667的值进行了探究,f专一6

发现只有在特殊情况下才能得出拍7=1的结论.y一口+6z完全相同,从而有{。

对于这一点,笔者对文[1]作者的探索精神十分赞

l一争。口

赏.其实文[1]已推出结论:667=,.2,这里r就是变

f667一】

量z与变量y的相关系数,其绝对值恒不大于1.

即{,,5一n,,上面的问题显然不符合.”结合前

I口D

至于文[1]后半部分的论述,文[1]认为可以述的分析和推导,这一段的叙述就是明显错误的利用“最小绝对值”求解回归曲线并认为“具体问了,错误的原因正是忽视了用最小二乘法求得的回题具体分析更好”.事实上,最小二乘法具有解决归直线方程与已知观测数据间存在偏差项,并非是求线性回归方程问题的一般性,在实践中被广泛恰好拟合.关于这一错误,笔者认为需要强调两点:

应用,这一点是其他方法无法替代的.

第一,正是因为有偏差项的存在,导致了在同一坐标系中,用z对y做回归与用y对z做回归参考文献

1王连福.用“最小二乘法”求线性回归方程的质疑[J].数学通

所得的回归直线不是同一条直线,这也说明了在报,2013,10:39—41

文[1]开头的“问题”中,z对y的解释作用同y对(上接第49页)

M、N在r上,其极点M、N关于r的极线为r的1。如图3.对于圆锥曲线11内的极点S(对于有心切线,而两极线(切线)的交点P为极点的极线必圆锥曲线,不包含其中心),则极线z必过点P、Q,过两极点M、N,则极点P的极线是切点弦MN.即对于圆锥曲线r任意两条弦AC、BD相交于点于是,点P在极线PQ上的充要条件是极线MNP,则直线AD与BC的交点Q必落在极线z上.过极点s.这正是文[3]的定理3的结论.

这正是文[3]的定理1的结论.

从这里可见,完全可利用二次曲线的极点与如图3.若对于中心曲线11内的极点S在其极线作出它的切线.如图3.若点P为圆锥曲线11中心S,则由SA—SB,SC=SD,得平行四边形外一点,过点P作直线PAC和PBD交r分别于ADBC,则AC与BD交于无穷远点P。,AD与A、C和B、D,连接AD,BC交于Q,连接AB,CDBC交于无穷远点Q。。(就像平行的太阳光一样交交于S,连接QS交r于M、N,连接PM,PN,则

于无穷远处的太阳),即极线P。。(k为无穷远线z。。.

PM、PN即为r的切线.

推论5

对于中心曲线r内的极点S在其中

心,则其极线为无穷远线Z。。.

参考文献

2。如图3.对于圆锥曲线r外的极点P,作两1

张朝阳.圆锥曲线中与顶点有关的一组对偶元素性质口].数

直线PAC、PBD,连接AB与CD交于点S,连接学通报,2010,3

2曹军.圆锥曲线中与定点弦有关一组对偶元素性质[J].数学

AD与BC交于点Q,则直线SQ是极点P关于11通报,2011,9

的极线.即圆锥曲线r的两弦AB、CD必交予极3孙四周.圆锥曲线中任意点和它的对偶直线[J].数学通报,

线QS上的点S.这正是文[3]的定理2的结论.

Z014。2

3。如图3.对于圆锥曲线j1的切线情况.若极4周振荣、赵临龙.高等几何[M].武汉:华中师范大学出版

社,2013

点P关于r的极线QS交r于两点M、N,则点

万方数据


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