圆锥曲线命题的定义和证明

"抛物线平行弦中点共线,且中点轨迹称为一条直径,与对称轴平行",这是一个定义,但经常看到有人用解析几何,联立抛物线方程和直线方程,求得交点,套中点定义,得到 x=与斜率k相关的常量x=与斜率k相关的常量x=与斜率k相关的常量,从而获得证明。

但这是循环论证。

抛物线的定义命题是描述性的,如果命题本身属于定义,它就作为前提。正是由于先定义 "抛物线直径",有了中点共线且与对称轴垂直的假设,才推出了命题 I.11,解析几何使用的 x2=2pyx^2=2pyx2=2py 只是命题 I.11 在坐标系中的等价写法,事实上,即使使用纯几何手法,搭配投影术计算相对长度,也就是解析几何,2000 年前的原理和笛卡尔-费马的原理没什么本质不同,手段不同而已。

在阿波罗尼奥斯的抛物线里,它只有 "平行于母线的截面与圆锥的交线" 这一句话的信息,除此之外什么都没有,剩下的所有命题全部要基于 "这条交线" 的固有性质作前提,这些性质就是 "定义",它们不需要证明,它们只要自洽,也就是说,"如果不是这样,便无可能性"。

来看下为什么能假设 "抛物线平行弦中点共线,且平行于对称轴"。

先假设它们共线,看看如果直径与对称轴不平行会怎样。

任何锥内的点与锥顶的夹角必须确保小于半顶角才不会刺穿圆锥,而抛物线截面与母线平行,其内部任意一点与锥顶连线均不在截面上,根据简单二面角原理,截面上任何不平行于母线的直线于锥顶垂线的夹角均大于半顶角,这意味着会和抛物线有两个交点。

这条直径与抛物线交于两点,设其中一点为顶点,根据假设直径平分所有弦,那么该直径必然无法平分过另一点与已知平行弦平行的弦。

所以如果平行弦中点共线,直径就一定与抛物线只有一个交点,即对称轴。

那么凭什么就共线呢,没有任何保证能避免下面的情况:

因为仅凭一个圆锥和一个截面,你既没有证明会出现上面的截线,也没法证明不会出现,但圆锥是对称的,没有任何 "外在驱动" 让它光滑的截线在目之所及以外出现弯曲,这就是定义的前提:

  • 圆锥是对称,光滑延展的;

此外,还是关于《圆锥曲线论》的命题 I.20,找不到任何证据证明阿波罗尼奥斯是如何从 命题 I.11 中 "显然可以推论" 的,但我们可以想象同样的法则。

虽然古希腊没有切剪射影变换,但人们对此会有非常朴素但精确的认知,对变换不变量掌握得非常好,他们早就学会了用面积来兑换扭歪了的长和宽,进而获得等效比例,就好像人们早就会用忽略高阶无穷小的方式穷竭一个圆,但直到 100 多年前对此才有了正式的形式化定义。

到了帕普斯时代,圆锥曲线有了另一种定义,但依然无法用解析法取联立方程组,因为在你获得抛物线(以它为例)的特征前,你甚至都无法假设它的方程的形式,你只有证明了中点共线,才能得到它的方程,否则只是验算了一下 "确实如此" 而已。还是一样,x2=2pyx^2=2pyx2=2py 只是古代描述的现代写法而已。

现有拥有的只有定义,"到达焦点和到达准线的距离相等的点的轨迹"。

下面仅用帕普斯的轨迹定义来证明平行弦中点共线。

题图与描述如下。

有抛物线,A 为焦点,下方粗直线为准线,BC 为任意弦,求证:与 BC 平行的弦的中点共线,且其轨迹平行于对称轴。

过焦点 A 做弦 BC 的垂线,交 BC 于 D,延长线交准线于 E。

在 RT△BFE\text{RT}\triangle{BFE}RT△BFE 中,由勾股定理 BF2+EF2=BE2BF^2+EF^2=BE^2BF2+EF2=BE2,而 BE2=BD2+DE2=(BA2−DA2)+DE2=BA2−DA2+(DA+AE)2=BA2+AE2+2⋅DA⋅AEBE^2=BD^2+DE^2=(BA^2-DA^2)+DE^2=BA^2-DA^2+(DA+AE)^2=BA^2+AE^2+2\cdot DA\cdot AEBE2=BD2+DE2=(BA2−DA2)+DE2=BA2−DA2+(DA+AE)2=BA2+AE2+2⋅DA⋅AE.

而 BF = BA,所以 EF2=AE2+2⋅DA⋅AEEF^2=AE^2+2\cdot DA\cdot AEEF2=AE2+2⋅DA⋅AE.

右侧同理 EI2=AE2+2⋅DA⋅AE=EF2EI^2=AE^2+2\cdot DA\cdot AE=EF^2EI2=AE2+2⋅DA⋅AE=EF2.

作 EG⊥准线EG\perp 准线EG⊥准线 交 BC 于 G,则由平行等比,G 为 BC 的中点,由于对于所有与 BC 平行的弦而言,AD 延长线始终交准线于 E,于是所有与 AB 平行的弦的中点共线,对于所有的 G,GE∥对称轴⊥准线GE\parallel 对称轴\perp 准线GE∥对称轴⊥准线.

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