圓錐曲線
圓錐曲線作為圓錐的平面截痕(conic as a plane section)
為什麼拋物線、橢圓與雙曲線被歸在同一個名稱「圓錐曲線」之下?因為古希臘人發現它們全都來自用一個平面去切一個物件——圓錐——再看切痕與曲面相遇處的曲線。把切割平面傾斜成不同角度,同一個圓錐便依序產生所有這些曲線。這正是三者為何是手足的原始、幾何上的理由。
取一個雙圓錐:兩個圓錐尖頂相接於共同頂點、向兩方無限延伸,像個沒有腰的沙漏。現在用一個平面去切,觀察切痕的邊緣。垂直於軸橫切,得到圓。把平面稍微傾斜、傾斜得比圓錐側面平緩,圓便拉長成封閉的橢圓。把它傾斜得恰好平行於圓錐的一條母線,曲線便再也無法閉合——化為單一張開的拋物線。傾斜得更陡,使平面同時切到雙圓錐的兩半,便切出兩條分離的開曲線——雙曲線的兩支。若平面恰好通過頂點本身,便得到退化情形:一個點、一條線,或交叉的一對線。
這幅圖揭示深刻的統一:一個圓錐、一個移動的平面、純粹由切割角度分類出的四種曲線。依離心率(e = 0、0 < e < 1、e = 1、e > 1)的分類,正是這種幾何傾斜的代數迴響。把這個「切圓錐」定義與焦點-準線定義、焦距定義連結起來的奇妙橋樑,由旦德林球提供。
把手電筒的光錐照在牆上。直照牆面:一圈圓形光。略微傾斜:橢圓。傾斜到光錐上緣與牆面平行:光向上溢出成拋物線。再傾斜使光束掠過平行的角度:你會看到雙曲線的一支爬上牆面。
一個圓錐、一個傾斜的平面——單憑切割角度便決定出現哪種圓錐曲線。
圓錐必須是完整的雙圓錐,雙曲線的兩支才會出現;切一個有限的單一甜筒只會得到圓、橢圓或一條拋物線/單支。無限的雙圓錐才使這個家族完整。
又称
另见