焦距定義(focal-distance definitions)
有一種動手畫橢圓的方法,只需兩根針與一圈繩子:把繩圈釘在兩點,用鉛筆拉緊,再滑動鉛筆繞一圈——它畫出的曲線就是橢圓。這之所以可行,正因為焦距定義,它直接從兩個焦點建出橢圓與雙曲線,眼前既無圓錐也無準線。
對橢圓而言:取兩焦點 F_1 與 F_2;橢圓是所有「兩段焦距之和為定值」的點 P 所成的集合,即 |PF_1| + |PF_2| = 2a。釘住的繩子長度固定,所以鉛筆到兩針的兩段距離永遠相加為同一個量——恰是這條規則。對雙曲線而言,把和換成差:它是所有滿足 | |PF_1| - |PF_2| | = 2a(定值)的點 P 所成的集合。(一支較靠近 F_1,另一支較靠近 F_2;絕對值把兩者一併收進。)兩種情形中,2a 都恰為兩頂點間的距離,即長軸或貫軸的長度。
這些定義極為具體,也正是這些曲線出現於自然與工程的原因:行星服從定和律(克卜勒),而定差律是雙曲線導航的基礎,兩個訊號的時間差把你固定在一條雙曲線上。焦距定義、焦點-準線性質與平面截痕定義所描述的恰是同一批曲線——旦德林球證明了它們一致。
兩焦點為 (-3, 0) 與 (3, 0)、定和 2a = 10,得 a = 5、c = 3,故 b^2 = a^2 - c^2 = 25 - 9 = 16:橢圓為 x^2/25 + y^2/16 = 1。同樣兩焦點改用定差 2a = 4,則得 a = 2、c = 3、b^2 = c^2 - a^2 = 9 - 4 = 5:雙曲線為 x^2/4 - y^2/5 = 1。
焦距之和建出橢圓;焦距之差建出雙曲線。
對橢圓,定值必須滿足 2a 大於兩焦點間距(否則繩太短、曲線不存在);對雙曲線則 2a 必須小於該距離;若 2a 恰等於兩焦點間距,得到的是退化的線段或一對射線,而非真正的圓錐曲線。