曲线的切线方程-陈都——教学研究:椭圆的切线与法线引出的高次曲线

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0、前言

文[1]-[6]对椭圆的切线与法线的性质进行了全面细致的研究,得到了一系列有趣的结论。本文将对椭圆的切线和法线有关的三个轨迹问题展开新的探索,发现了三条优美对称的高次曲线(切垂线、法垂线及法中线)和相关长度、距离公式,最后得到了与法垂线、法中线密切关联的椭圆曲星线(即渐屈线)、曲星圆和椭圆(法中线的外切椭圆)的优美性质。

过椭圆上任一点,可以作它在该点处的切线和法线,其中法线总与椭圆相交,法线被椭圆截下的线段叫做该椭圆的法弦。

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当m、n之一为0时,上列切线方程和法线方程仍然有效。

因此,椭圆在点P处的切线方程和法线方程分别为

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1、椭圆的切垂线

下面,我们以上述引理为依据,对与椭圆的切线和法线有关的轨迹问题进行全面而深入的探究。

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图形如图2所示,蛮漂亮哦,好像一朵幸运的四瓣玫瑰花,但它是一条新发现的六次曲线,并不是大家熟悉的四叶玫瑰线。由于该曲线是椭圆中心向其法线所作垂线的垂足H的轨迹,故称之为椭圆的法垂线。

3、椭圆的法中线

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很明显,上列中点轨迹方程比定理1、2中的垂足轨迹方程要复杂,其图形如图3所示。由于该六次曲线是椭圆法弦中点M的轨迹,故称之为椭圆的法中线。

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6、椭圆的曲星线、曲星圆和椭圆

如图5,称过原点作法线的垂线的垂足轨迹为椭圆的法垂线,法弦中点轨迹为椭圆的法中线。由于椭圆的渐屈线(曲率圆心轨迹)是其法线族的包络线,立得如下有趣结论

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这条曲线是大家熟知的,考虑到椭圆渐屈线是其曲率中心的轨迹,酷似星星,不妨称之为椭圆的曲星线,称曲星线的内切圆为原椭圆的曲星圆。易得如下

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上述推论3-11的证明较繁,此处从略,拟另文介绍。

自然地,我们可以对双曲线、拋物线进行同样的探讨,得到类似结论。限于篇幅,这里不赘,留给感兴趣的读者。

【参考文献】

1、杜林会,椭圆切线的几个性质及作法[J],数学通报,2003(6)

2、周建华,圆锥曲线切线的一个有趣的性质[J],数学通报,2003(12)

3、杨波,有心圆锥曲线的一个性质及应用[J],数学通报,2005(3)

4、徐文春,关于有心圆锥曲线切线的一组性质[J],数学通讯,2012(12)

5、曾建国,有心圆锥曲线切线的一个性质的推广[J],数学通讯,2013(5)

6、杨志明,一个关于有心圆锥曲线切线的猜想的否定与修正[J],数学通讯,2013(10)

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