圓錐曲線

焦點-準線性質(focus-directrix property)

這裡有一條規則,只要轉動一個旋鈕,就能一次產生全部三種圓錐曲線。固定一點 F(焦點)與一條線 d(準線)。對任一點 P,比較兩段距離:P 到 F 多遠、P 到線 d 多遠。焦點-準線性質說:圓錐曲線是所有「這兩段距離之比為定值 e」的點所成的集合,這個 e 稱為離心率。

用符號表示:當 |PF| /(P 到 d 的距離)= e(一個常數)時,P 落在圓錐曲線上。現在轉動旋鈕 e。若 e = 1,兩段距離永遠相等,得到拋物線——這正是拋物線自身的定義。若 0 < e < 1,點必須相對地更靠近焦點,曲線便閉合成橢圓。若 e > 1,點相對地更靠近準線,曲線便張開成雙曲線。(圓即 e = 0 的極限情形,此時準線跑到無窮遠。)圓錐曲線的每一支都有自己的一組焦點-準線;橢圓與雙曲線各有兩組,每個焦點一組。

這是圓錐曲線的大一統:單一焦點、單一直線、單一數 e 便完成全部工作,曲線的類型純由 e 相對於 1 的位置決定。它也是通往圓錐曲線極座標式的橋樑,在那裡這個比恰好化為 r = e d / (1 +- e cos theta),焦點置於極點。

設 F = (1, 0)、準線 x = 4、e = 1/2(故為橢圓)。對 P = (2, y),|PF| = sqrt((2-1)^2 + y^2),到準線的距離為 |2 - 4| = 2。條件 |PF| = e * 2 = 1 迫使 sqrt(1 + y^2) = 1,得 y = 0:點 (2, 0) 落在此橢圓上,且事實上是一個頂點。

一個焦點、一條線、一個比 e——單憑 e 的值便命名了曲線。

圓是個尷尬的例外:它在有限距離處沒有真正的準線,因為 e = 0 會把準線推到無窮遠。所以焦點-準線性質乾淨地描述拋物線、橢圓與雙曲線,但圓最好當作 e = 0 的極限來處理。

又稱
focus-directrix definitioneccentricity definition of a conic焦準性質