解析几何和经典数学模型的殊途同归

Dezember 03, 2017



先说题目:

已知:抛物线
求:与该抛物线相切的直线 g(x) 的方程,并且 g(x)经过 ( 8 |  0 ) 这一点。



看起来很简单的题目。其实很难理解。

如果是求抛物线上一点的切线,很好办,直接erste Ableitung ,一次导,求出那一点的 Steigung,已知直线的Steigung和经过了一个点,这个直线就可以求出来了。如果不理解我上面这句话,请留言,我看看多少人留了言,可以今后再给大家复习一下。

但是,题目显然不是我上面说的这种情况,因为已知的 ( 8 | 0 ) 这一点,不在抛物线上。

用解析几何的方式来处理,我们看看如何办:
假设切点是P,那么这一点是 (Xp    |     f ( Xp)  )
我们想到的基本思路是,如果求出了 Xp 的坐标值,那么就可以求得这一点 (Xp    |     f ( Xp)  ),再加上  ( 8 | 0 ) 这一点,就可以求出这个曲线了。
第一个条件,看图中的阴影三角形部分:

上面这个 就是 直线 g (x) 的 Steigung (斜率 )


第二个条件,直线和抛物线相切,是 Tangente,所以,对抛物线方程取 Erste Ableitung,就得到了所有和抛物线相切的直线的Steigung(斜率 )。
也就是说,所有和抛物线相切Tangente的直线,Steigung严格遵守 m2 这个条件。说明白一点:比如假设 x=1 的时候,在抛物线上找到 x=1 的对应点,这一点画个切线,这个切线的Steigung肯定就是 -1
比如假设 x=6的时候,在抛物线上找到 x=6 的对应点,这一点画个切线,这个切线的Steigung肯定就是 -6
......
比如假设 x=Xp的时候,在抛物线上找到 x=Xp 的对应点,这一点画个切线,这个切线的Steigung肯定就是 -Xp

上面的第一条件和第二条件相等,m1 = m2 得出一个结果:


...此处省去三百字...
上面这个方程可以算出来 Xp = 15 或者是 Xp = 1

现在,离成功只有一步之遥了。我们已经算出来Xp了,代入到 f (x) 里面,就能知道对应的 f (Xp)是多少。P的坐标就此确定了。。。有了P这一点,也有了 ( 8 | 0 ) 这一点,直线经过了这两点,g (x) 就求出来了。

以上是解析几何的算法,着实有些伤脑筋,基本属于勤能补拙型,而且要理解了 Steigung的定义。。。注意我上面的红字部分。。。才可以运用自如。




用经典数学模型来处理,我们看看如何办:

假设我们要求的直线是 g (x) = ax +b,   这里回到了我之前讲的 Funktion的Rekonstruktion的问题上面,两个参数,需要两个条件。

第一个条件 ( 8 | 0 ) 这一点, 那么 : 0 = 8a + b 

第二个条件 直线和曲线相切,只有一个交点,说明  "直线方程= 曲线方程,只有一个解 " 德语教科书,请参见 Parabel Lösungsmenge 这一章。


...此处省去三百字...

上面这个Parabel Lösungsmenge 只有一个
所以∆=0 也就是下面这一堆



两个条件用完了,我们得到了一个方程组:


去掉b,只留下a,得到


上面分别得到两个a值,一个是  a =-15  , 另一个是 a=-1

上面的已知a,可以求得b,这样,直线的方程就定下来了。




最后的问题:
不论哪种方法,为什么求出来的直线是两个,哪个才是我们需要的呢?
留给大家思考,下次上课提出问题。
下面这个是提示图:


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