圓錐曲線

座標軸旋轉(rotation of axes)

當圓錐曲線的方程式含有 xy 項時,曲線是傾斜的——它的對稱軸與座標軸成一斜角,方程式也不好讀。座標軸旋轉就是把座標系統轉到與傾斜的圓錐曲線對齊的技巧,轉過之後交叉項消失,方程式便彈回乾淨、可辨識的標準式。

方法如下。把舊座標 (x, y) 換成轉過角 theta 的新座標 (x', y'):x = x' cos theta - y' sin theta,y = x' sin theta + y' cos theta。角 theta 的選法是要消去交叉項,這發生在 cot(2 theta) = (A - C)/B(等價地 tan(2 theta) = B/(A - C))時。把代換代入 Ax^2 + Bxy + Cy^2 + Dx + Ey + F = 0,整理各項,新的 B' 係數便因這個 theta 的精確選擇而為零。方程式在旋轉後的座標系中變為 A'x'^2 + C'y'^2 +(低次項)= 0,再照常配方完成。圓錐曲線本身從未移動——只是你的視角旋轉去迎合它。

座標軸旋轉完成了二次一般式的分析:判別式告訴你類型,旋轉(加平移)則把任何傾斜又平移的圓錐曲線化為可讀出焦點與軸的標準式。量 A + C 與 B^2 - 4AC 在旋轉下保持不變,這既是有用的檢驗,也是判別式分類可信的原因。

取 xy = 1,故 A = 0、B = 1、C = 0。此處 A = C,所以 2 theta = 90 度、theta = 45 度。代入 x = (x' - y')/sqrt(2)、y = (x' + y')/sqrt(2),把 xy = 1 化為 (x'^2 - y'^2)/2 = 1,即 x'^2/2 - y'^2/2 = 1——分明是直角雙曲線,如今端正地坐在新軸上。

以 tan(2 theta) = B/(A - C) 把軸旋轉 theta,xy 項便消失。

座標軸旋轉移動的是你的座標系,而非曲線——圓錐曲線前後完全相同,只是用更簡單的數來描述。當 A = C 時,由於 tan(2 theta) 發散,交叉項方程式直接給出 theta = 45 度。

又稱
removing the xy termaxis rotation消去 xy 項轉軸