双曲线
双曲线是到两个定点的距离差的绝对值等于固定正数 的点集。两焦点相距 ,要有真正的双曲线,必须 。与椭圆的距离之和不同,距离之差把点分成左右两支。
从距离差到两支曲线
取 、,规定 。点 到两焦点距离为 8 和 2,属于右支;点 属于左支。因为反三角不等式给出 ,所规定的差不能大于 10;等于 10 时点集退化为两条沿焦点轴向外的射线,等于零时是两焦点连线的垂直平分线。
标准方程的推导
一般令焦点为 、。在右支,到左、右焦点的距离 满足 。仍有 ,于是 ,解这组和差得 把 展开、消去 ,得 。令 ,得到 式中 ,中间 没有曲线。右支 时,刚求出的 都非负;将方程反代可核实确为焦距,差为 。左支由 的对称性得到,所以方程和原始绝对值条件等价。
顶点、渐近线和离心率
焦点轴为 轴时,顶点为 ,中心为原点; 是确定渐近线斜率的参数,并非曲线在 轴上的截距,因为曲线根本不碰到 轴。右上支写成 ,与直线 的纵向差为 分母不断增大,差趋于零;到直线的垂距也趋零。因此两条渐近线为 。渐近线并不与双曲线重合:把它代入标准式,左边是零,而曲线上必须等于一。离心率 ;它与椭圆一样是“焦距参数/半长轴”,但范围相反。
本例 ,方程 ,渐近线 。在 时,上支 ,渐近线 ,高度差仍有 ;“渐近”说的是向远处趋近,不是每个有限点都贴在直线上。
平移与竖直开口
若中心为 且两支沿水平轴展开,标准式为 ,焦点 。若两支上下展开,则交换平方项的位置:,焦点 ,渐近线 。例如 的中心为 ,顶点 ,;上下开口不能照搬水平式的焦点坐标。
参考资料
- OpenStax,Precalculus 2e,§10.2 The Hyperbola:距离差、轴与渐近线。
- 先修:椭圆、圆锥曲线;继续:圆锥曲线的反射性质。