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平面解析幾何
鎖定
- 中文名
- 平面解析幾何
- 外文名
- Analytic geometry
- 所屬學科
- 數學
- 適用領域
- 平面幾何
平面解析幾何簡介
對代數幾何學者來説,解析幾何也指(實或者復)流形,或者更廣義地通過一些復變數(或實變數)的解析函數為零而定義的解析空間理論。這一理論非常接近代數幾何,特別是通過讓-皮埃爾·塞爾在《代數幾何和解析幾何》領域的工作。這是一個比代數幾何更大的領域,不過也可以使用類似的方法。
[1]
平面解析幾何發展歷史
古希臘數學家梅內克繆斯的解題、證明方式與使用座標系十分相似,以至於有時會認為他是解析幾何的鼻祖。阿波羅尼奧斯在《論切觸》中解題方式被稱為單維解析幾何;他使用直線來求得一點與其它點之間的比例。阿波羅尼奧斯在《圓錐曲線論》中進一步發展了這種方式,這種方式與解析幾何十分相似,比起笛卡兒早了1800多年。他使用了參照線、直徑、切線與現進所使用座標系沒有本質區別,即從切點沿直徑所量的距離為橫座標,而與切線平行、並與數軸和曲線向交的線段為縱座標。他進一步發展了橫座標與縱座標之間的關係,即兩者等同於誇張的曲線。然而,阿波羅尼奧斯的工作接近於解析幾何,但它沒能完成它,因為他沒有將負數納入系統當中。在此,方程是由曲線來確定的,而曲線不是由方程得出的。座標、變量、方程不過是一些給定幾何題的腳註罷了。
從傳統意義上講,解析幾何是由勒內·笛卡兒創立的。笛卡兒的創舉被記錄在《幾何學》當中,在1637年與他的《方法論》一道發表。這些努力是以法語寫成的,其中的哲學思想為創立無窮小提供了基礎。最初,這些著作並沒有得到認可,部分原因是由於其中論述的間斷,方程的複雜所致。直到1649年,著作被翻譯為拉丁語,並被馮·斯霍滕恭維後,才被大眾所認可接受。
費馬也為解析幾何的發展做出了貢獻。他的《平面與立體軌跡引論》雖然沒有在生前發表,但手稿於1637年在巴黎出現,正好早於笛卡兒《方法論》一點。《引論》文字清晰,獲得好評,為解析幾何提供了鋪墊。費馬與笛卡兒方法的不同在於出發點。費馬從代數公式開始,然後描述它的幾何曲線,而笛卡兒從幾何曲線開始,以方程的完結告終。結果,笛卡兒的方法可以處理更復雜的方程,並發展到使用高次多項式來解決問題。
[2]
平面解析幾何基本理論
平面解析幾何座標
在解析幾何當中,平面給出了座標系,即每個點都有對應的一對實數座標。最常見的是笛卡兒座標系,其中,每個點都有x-座標對應水平位置,和y-座標對應垂直位置。這些常寫為有序對(x,y)。這種系統也可以被用在三維幾何當中,空間中的每個點都以多元組呈現(x,y,z)。
平面解析幾何曲線方程
在解析幾何當中,任何方程都包含確定面的子集,即方程的解集。例如,方程y=x在平面上對應的是所有x-座標等於y-座標的解集。這些點彙集成為一條直線,y=x被稱為這道方程的直線。總而言之,線性方程中x和y定義線,一元二次方程定義圓錐曲線,更復雜的方程則闡述更復雜的形象。
通常,一個簡單的方程對應平面上的一條曲線。但這不一定如此:方程x=x對應整個平面,方程x2+y2=0只對應(0,0)一點。在三維空間中,一個方程通常對應一個曲面,而曲線常常代表兩個曲面的交集,或一條參數方程。方程x2+y2=r2代表了是半徑為r且圓心在(0,0)上的所有圓。
平面解析幾何距離和角度
在解析幾何當中,距離、角度等幾何概念是用公式來表達的。這些定義與背後的歐幾里得幾何所藴含的主旨相符。例如,使用平面笛卡兒座標系時,兩點A(x1,y1),B(x2,y2)之間的距離d(又寫作|AB|被定義為
其中m是線的斜率。
平面解析幾何變化
變化可以使母方程變為新方程,但保持原有的特性。例如,母方程
有水平和垂直的漸近線,處在第一和第三象限當中能夠,它所有的變形都有水平和垂直的漸近線,出現在第一或第三、第二或第四象限當中。總的來説,如果
,那麼它可以變為
。新的變形方程,
因素如果大於1,就垂直拉伸方程;如果小於1,就壓縮方程。如果
值為負,那麼方程就反映在
-軸上。
值如果大於1就水平壓縮方程,小於1就拉伸方程。與
一樣,如果為負就反映在
-軸上。
和
值為平移,
值是垂直,
為水平。
和
的正值意味着方程往數軸的正方向移動,負值意味這往數軸的負方向移動。
變化可以應用到任意幾何等式中,不論等式是否代表某一方程。 變化可以被認為是個體處理、或是組合處理。
例如,
在
平面上
將
變為
,使得圖像向右移動
個單位。
將
變為
,使得圖像向上移動
個單位。
將
變為
,使得圖像以
值拉伸。 (想象一下
被膨脹了)
將
變為
,使得圖像垂直拉伸。
將
變為
,將
變為
,使得圖像旋轉
個角度。
平面解析幾何交集
雖然本討論僅限於xy-平面上,但它可以很容易地衍生為更高維的空間中。兩個幾何對象P和Q指代
和
,其交集是所有點
的集合。 例如,
可以是半徑為1的圓,圓心在
,
可以是半徑為1的圓,圓心在
。兩圓的交叉點是滿足方程的所有點的集合。點
是否滿足方程呢?將
帶入
,
便成為
或
,結論為真,因此
在
上。換句話來説,接着將
帶入
,方程
成為
或
,結論為假。
不在
上,因此不是它的集合。
我們的交集有兩點:
平面解析幾何主題問題
解析幾何中的重要問題:
- 參考資料
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- 1. Glen M. Cooper (2003). "Omar Khayyam, the Mathematician", The Journal of the American Oriental Society 123.
- 2. Stillwell, John. Analytic Geometry. Mathematics and its History Second Edition. Springer Science + Business Media Inc. 2004: 105. ISBN 0-387-95336-1. the two founders of analytic geometry, Fermat and Descartes, were both strongly influenced by these developments.