AFO 了,也该 whk 了。
然后发现自己圆锥曲线那一块差的要命,主要问题是不像其它知识有一些较超前的,更为本质的认识,所以去搜索了相关资讯后,总算用一些射影几何的内容搞懂了高考圆锥曲线的一些诸如点差法,齐次化的基本方法的本质是啥。
由于 OI 写博客的习惯可拓展到各类学习,于是有了这篇文章。
射影空间的一些基础概念
点:给原本在欧氏平面下的点坐标 (\frac{x}{z},\frac{y}{z}) 添加一维 z ,即 (x:y:z) ,显然,所有 x:y:z 相等的坐标表示同一个点,并且这种表示方式可以便利的表示无穷远点,即 z=0 时。这种坐标被叫做点的齐次坐标。
线:在欧氏平面下一条线的一般方程是 Ax+By=1 , A,B 不全为 0 。那么点线都放到齐次坐标下,就变成了 Ax+By+Cz=0 ,线可以类似地用 (x:y:z) 的坐标来表示,那么无穷远直线就是 z=0 的时候的直线。
一些无关的乱想:
从这里似乎可以看出点和线有一些对偶的性质,想起来初中看过的一本书《数学是什么》里面有提到射影几何中一些共点共线的定理总是成双出现的,现在好像有些理解了。另外感觉这个好像还能拓展到更高维的版本?
交比:有四个共线的点 A,B,C,D ,那么称
\frac{\; \frac{AC}{AD} \;}{ \frac{BC}{BD} }
是点列 (AB,CD) 的交比。交比有射影变换下的不变性,也就是说若AA_1,BB_1,CC_1,DD_1 交于一点,那么 (AB,CD) 的交比和 (A_1B_1,C_1D_1) 的交比相等。而由它的不变性,也能推出 AA_1,BB_1,CC_1,DD_1 交于一点(射影点)。(若对应点重合则认为方向任意)
调和点列:最开始是初中在小蓝本里看到的,说是有四个共线的点 A,B,C,D ,若满足
\frac{\; \frac{AC}{AD} \;}{ \frac{BC}{BD} }=-1
则称 C,D 调和分割 A,B ,(AB,CD) 就是调和点列,注意上式均为有向线段。
平移齐次化的本质
经常能在高考题中遇到这样的问题:有一个椭圆(其他二次曲线差不多) T:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,(a>b>0) ,设 A 是一个定点 (x_A,y_A) ,然后椭圆上有两个点 B,C ,然后给了个 k_{AB},k_{AC} 的和积关系云云,最后要求证明直线 BC 过定点。
先来看看正常做法: 设 B(x_1,y_1),C(x_2,y_2),BC:x=ky+t ,联立 BC 和 T 得到一个方程,就是消掉 x 或 y 其中之一,然后韦达搞出 x_{1/2},y_{1/2} 的各种和积式的关于 k,t 的表达式,然后各种组合弄出题目给出的和积关系求出 k,t 关系,最后算出 BC 的定点,证毕。然后就会发现在韦达后就算不动了,因为搞出 x_{1/2},y_{1/2} 的各种和积式形状真是千奇百怪的分数,然后带入题目的和积关系得到的式子又臭又长,虽然最终化简后一般是简单的。
某天,我们的数学老师传授了一个神奇的方法:平移齐次化,具体是这样的:
将原点平移至 (x_0,y_0) ,也就是将 A 作为新系原点,那么 T 变为 \frac{(x+x_0)^2}{a^2}+\frac{(y+y_0)^2}{b^2}=1 ,将它化开,可以得到 Ox^2+Py^2+Qx+Ry+S=0 的一个二元二次曲线的形式,然后再新系下设 BC:mx+ny=1 ,乘到 T 的一次项中,就是:
Ox^2+Py^2+Qx(mx+ny)+Ry(mx+ny)+S=0
令 k=\frac{y}{x} ,两边同时除以 x^2 :
(P+Rn)k^2+(Qn+Rm)k+S+(O+Qm)=0
然后就可以用韦达轻轻松松的搞出题目给的斜率条件,得到 m,n 的关系,把定点搞出来,再平移回原系即可。
超级懵逼?!谁想出来的这个方法?!这特么也太人类智慧了吧?!
仔细想想,刚刚其实只干了两件事,一:平移,二: 做 “1” 的代换齐次化。
然后第一条其实是好理解的,在平常情况下使用椭圆中心做原点的原因有二
- 解析式好看,简洁
- 有可以利用的中心/轴对称性(好像概括了第一条?
而在这个题目中根本用不到对称性,而且在正常坐标系下还会是 k_{AB} 和 k_{AC} 的分子分母带上不必要的常数,这就加重了化简的负担,所以就会想到平移(其实也能看成换元)从而消去常数。
至于第二点,实际上在了解了一点射影几何的知识后就会明白,把 mx+ny=1 做 “1” 的代换这件事本质就是消去了 z 这个参数:考虑齐次坐标下的 T 和 BC 的解析式:
\begin{aligned}
T&:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=z^2\\
BC&:mx+ny+lz=0
\end{aligned}
那么联立 T,BC 就是 \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=(\frac{mx+ny}{l})^2
只不过平常情况下我们可以令 z=1,l=-1 。
这样看来这个方法显得并不那么人类智慧了。
极点和极线
这就对应着另一类问题,仍以椭圆举例:
有一个椭圆 T:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,(a>b>0) , E,F 为其左右端点,有一直线 AB, AE\;\cap\;BF=G,然后已知 AB 过定点求证 G 在定直线上,或者反过来已知 G 在定直线上证明 AB 过定点。
这里就简单介绍一下一些极点极线的定义和结论,我认为对高考来讲只需感性理解即可。
极点和极线:假设有一点 O ,有一条过 O 的直线 l ,交椭圆于 L,N ,有一点 M 满足L,N 调和分割 O,M ,那么随着 l 的旋转,由神秘推导 M 的轨迹会形成一条直线 s ,那么 s 就是 O 对该椭圆的极线, O 就是 s 对该椭圆的极点。
配极原则:由神秘证明,若 A 在 B 的极线上,那么 B 也在 A 的极线上。上图的 O 和 M 就是一个例子。
有了这些结论,就可以回答这个问题了,先添加几条线:
(这个图重画了一下,可能有些字母不大一样)
作 I,H 使得 (HF,AE),(IF,DB) 是调和点列,由交比的不变性可知 G 是由 (HF,AE) 变换到 (IF,DB) 的射影点,所以 IH 过 G ,且 IH 就是 F 的极线。
诶,那这就可以用配极原则了,所以 F 也在 G 的极线上。如果 G 为定点,那么其极线也为定直线,也就证明了 F 在定线上了,反过来也是一样。
不过这个证明高考不能用,但是心里明白后就可以用交比为 -1 先光速求出定点/定直线,然后联立韦达写一堆不化简的式子扔给改卷,最后注意到求出的定点/定直线满足要求,岂不美哉?
如果你的要求更进一步,想要了解一些结论的推导,推荐去看B站up泰勒猫爱丽丝的“高考不能用”合集的圆锥曲线系列。