炒菜做饭切萝卜,很常见的事情,有人想法比较多,萝卜斜着切截面是什么形状呢,当然是椭圆了,还用问吗?反正看着不是圆,那就应该是椭圆了,那是没遇到较真的,为啥是椭圆呢?椭圆的定义是到两定点距离之和等于定长的点的轨迹,有点像说外国话,熟悉了说起来蛮过瘾的……

其实那还真不是椭圆,是由于萝卜不太规则吗,当然不是了,如果把萝卜看成是圆锥也不都是椭圆,主要看你斜着切的角度了,如果你用刀的角度平行且仅平行于圆锥的一条母线,切出来的就是抛物线了,说白了就是竖着切,如果你再往外斜点,就成双曲线了,当然没有那么切萝卜的,那是片萝卜片了……

说的挺像真的,但数学不是用来猜的,严密的结论需要证明,为啥斜着切出来就是椭圆呢?想把它证明出来字母挺乱套的,还是直接上动画比较方便,严密的证明过程可以自己完成了,如下动画:

一个圆锥被斜着的平面所截,如果作两个与平面和圆锥面都相切的球,看着就很明显了。能做出来吗?当然了,由于对称,两个球心正好都落在圆锥的中心轴上,就像三角形内切圆一样,平面与两球的切点为F1、F2,图中的两个白圆就是球与圆锥的交线,圆锥的所有母线都是两个球的外公切线,看动画,由切线长定理知,绿色的两条线段相等,橙色的两条线段也相等,绿橙线段之和就是外公切线,是母线的一部分,都相等,也就是椭圆定义里面的定长,F1与F2就是椭圆的焦点。
如果没有flash插件,看不到动画的只能用下面的图片了:

再来看看双曲线,其定义是到两定点距离之差等于定长的点的集合,由于有两条渐近线,所以能看的地方很短暂,要看仔细了,如下动画:

圆锥上面又延伸一个圆锥,母线都是相同的,被一平面所截,同样两个球与圆锥面和平面都相切,F1、F2是切点,也是双曲线的焦点,取F1为焦点时,由切线长定理可以看出两条紫色线段长度相等,黑色线段减去紫色线段是两球的内公切线,同理取F2为焦点时,黑色段减去黄色线段是两球的内公切线,是母线的一部分,都相等,就是双曲线定义的定长。
如果没有flash插件可以看下面图片:

如果是抛物线呢?只能用一个定义了,到一定点距离与到一定直线距离相等的点的集合,如下图:

什么情况下能切出抛物线呢,就是这样,平面仅于圆锥的一条母线平行,同样在圆锥内部作与平面和圆锥都相切的球,过球与圆锥的交线再作另外一平面,PH是与该平面垂直的线段,H为垂足,P是截面曲线上任意一点,F是平面与球的切点,PB垂直交线于B。根据上面椭圆与双曲线的形成过程可知,PF=PA,也可证明PF/PB= PA/PB=csc∠PAH/csc ∠PBH=1,篇幅原因具体证明过程就不说了,有兴趣的自己完成吧,通过抛物线的例子可以推出所有圆锥曲线的另一个定义,其离心率e=csc ∠PAH/csc ∠PBH,准线就是两个平面的交线。


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