圓錐曲線

橢圓(ellipse)

/ ih-LIPS /

傾斜一杯水,液面的邊緣描出一個橢圓;圓的影子、行星的軌道、橄欖球側看的截面——全是橢圓。橢圓是一個封閉、被壓扁的圓:一條平滑的卵形迴圈,向一個方向鼓出、在另一方向收窄。

最乾淨的定義用兩個內部的特殊點,即兩焦點(單數:焦點)。橢圓是所有使「兩段焦距之和保持定值」的點 P 所成的集合:|PF_1| + |PF_2| = 2a,總和固定。這就是園丁的技巧——把一圈繩子釘在兩根樁上,用鉛筆拉緊,鉛筆便畫出橢圓。把兩焦點放在 x 軸上的 (-c, 0) 與 (c, 0),曲線有標準式 x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1,其中 a 是半長軸(長向之半)、b 是半短軸(短向之半),兩者由 b^2 = a^2 - c^2 相繫。中心是兩焦點的中點;曲線與兩軸相交的四個點是頂點。

為何重要:克卜勒第一定律說每顆行星沿橢圓繞太陽公轉,太陽位於一個焦點——而非中心,這是個微妙而重要的差別。橢圓的離心率 e = c/a 量度它被壓扁的程度,從 0(完美的圓,兩焦點合一)一直趨向 1(細長的一條)。而它的迴音廊反射——從一焦點發出的聲音匯聚於另一焦點——使橢圓形房間成為聲學奇景,也塑造了把震波聚焦於腎結石的醫用碎石機。

對於 x^2/25 + y^2/9 = 1,讀出 a^2 = 25、b^2 = 9,故 a = 5、b = 3。再由 c^2 = a^2 - b^2 = 25 - 9 = 16 得 c = 4:兩焦點為 (-4, 0) 與 (4, 0)。取頂點 (5, 0):其兩段焦距為 |5 - (-4)| = 9 與 |5 - 4| = 1,相加得 10 = 2a。離心率為 e = c/a = 4/5 = 0.8。

焦距之和的定值等於 2a,即長軸的全長。

常見的錯誤是把太陽放在軌道中心。它位於一個焦點,偏離中心。此外,圓是 e = 0 的特殊橢圓(兩焦點重合、a = b),並非另一種曲線。

又稱
oval (informal)conic with 0 < e < 1卵形(口語)