第二章平面上的坐標變換 1 平移坐標軸 ( 甲 ) 平面坐標的意義 (1) 平面坐標的意義 : 給定平面上一個定點 O 與兩個不平行的向量 e 1 e, 平面上任意點, 可以找 到實數 x,y 滿足 O=x e 1 +y e, 我們稱 S (O; e 1, e ) 為平面上的一個坐標系, 而 (x,y) 稱為 點相關於 S 的坐標 簡記為 S 坐標, 其中 O 點稱為這個座標的基準點 ( 原點 ), 而 e 1, e 稱為 S 的基底 y x e 1 + y e e y e B x e 1 O e 1 B O A x () 直角坐標系 : 在平面上選定一個基準點 O 及一組互相垂直且長度相等的向量 i j, 當作基 底, 這樣構成的坐標系稱為直角坐標系 通過 O 點且包含 i 的直線定為 x 軸, 通 過 O 點且包含 j 的直線定為 y 軸 [ 討論 ]: (a) 設 i =OA, j =OB, 請問 A B 的坐標如何表示? QOA=1 i +0 j, A 的坐標為 (1,0) QOB=0 i +1 j, B 的坐標為 (0,1) (b) 設 O=x i +y j, 則 的坐標為 (x,y) (c) 根據向量的坐標表示法, 可以將 O i =OA, O=(x,y) i =OA=(1,0) j =OB=(0,1) j =OB 用坐標表成 ~ 1 1~
[ 例題 1] 在 ABC 中,D E F 分別在 BC AC AB 上, 且 BD:DC=:1, AE:EC=1:1,AF:FB=1:4 若取基準點為 B, e 1 =BA, e =BC, 請問 :A B C D E F 在坐標系 (B; e 1, e ) 的坐標為何? Ans:A(0,1),B(0,0),C(1,0),D( 3,0),E(1,1 ),F(0,4 5 ) F A E B D C ( 乙 ) 坐標軸的平移 ( 1) 坐標平移可以簡化方程式 : 如下圖, 觀察 Γ:y=x 3 與 Γ :y=x 3 3x +3x 1 這兩個方程式的圖形 : 這兩個圖形 長相一樣, 只要將 Γ 向右平移一單位就會與 Γ 重合, 換一個說法, 若是我們將坐標原點向右移一個單位, 而基底不變, 圖形 Γ 不動, 那麼從新的坐標系來看的話,Γ 對於新坐標系的相對位置與 Γ 對於原坐標系的相對位置是一樣 因此在新坐標系下 Γ 的方程式的樣子 y =(x ) 3 就會與 Γ 的方程式 y=x 3 相同 總之, 平移 的目的是選擇更好的觀察點, 幫助我們認識客觀的世界 ~ 1 ~
() 推導移軸公式 : 從上面的說明, 我們將這種僅改變原點的位置而基底不變 ( 即座標軸的方向和長度單位不變 ) 的坐標變換, 稱為座標軸的平移, 簡稱移軸 [ 推導移軸公式 ]: 若設點 在 S (O, i, j ) 與 S (O, i, j ) 下的坐標為分別為 (x,y) (x,y ), 其中 O 在 S 坐標系下坐標為 (h,k), 則點 的原坐標 (x,y) 與新坐標 (x,y ) 的關係式 x = x 為 y = y [ 過程 ]: 根據已知條件 O=x i +y j,o = x i +y j 因為 O=OO + O x i +y j = h i +k j + x i +y j (x,y)=(h,k)+(x,y ) x=x +h,y=y +k 例子 : 平移座標軸, 把原點移到點 O (,1), 試求下列各點的新坐標 :A(3,4) [ 解法 ]: 設 A 點新的坐標為 (m,n) 根據前面的結果可知 (3,4)=(,1)+(m,n) 3=m+,4=n+1 m=1,n=3 所以 A 點的新坐標為 (1,3) + h + k (x,y) y (x,y ) O (h,k) y O x x ( 練習 1) 平面上一坐標系, 若將坐標軸平移, 以 O (,1) 為新的原點, 舊坐標 (,1) ( a, b) 則請寫出下列表格 : 新坐標 (3, 4) ( a, b) ~ 1 3~
舊坐標 Ans: 新坐標 (, 1) ( 4, ) (5, 3) (3, 4) ( a, b) ( a, b 1) ( a +, b + 1) ( a, b) (3) 移軸後方程式的變化 : 考慮圓 C 方程式 x +y 4x y=0, 我們現在移軸到適當的原點 (h,k), 根據移軸公 x = x + h 式 可得 (x +h) +(y +k) 4(x +h) (y +k)=0, y = y + k 經整理可得,x +y +(h 4)x +(k )y +(h +k 4h k) =0, 這是移軸後所得的方程式, 現在取新原點 O (,1), 則新的方程式中 x y 項的係數為 0, 新的方程式變為 x +y =5, 所以圓 C是一個以 O (,1) 為圓心, 半徑 5 的圓 在這裡我們得到一個啟示 : 當我們移軸到適當的原點時, 可使方程式消去某些項, 幫助我們辨識方程式所繪製的圖形, 使得新的方程式比原方程式更加簡明 結論 : 在平面坐標上, 若圖形 Γ 的方程式為 f(x,y)=0, 經平移坐標軸的原點至 O (h,k), 則圖形 Γ 的新方程式為 f(x +h,y + k)=0 例子 1: 平移坐標軸到新原點 O (h,k) (a) 求曲線 Γ:x 6xy+y 8x+8y+1=0 之新方程式 (b)γ 對新坐標系的方程式是否仍是二元二次方程式 (c)γ 的新方程式可以消去兩個一次項嗎? [ 解法 ]: x = x + h (a) 由移軸公式 代入曲線 Γ 的方程式 y = y + k (x +h) 6(x +h)( y +k)+(y + k) 8(x +h)+8(y +k)+1=0 化簡為 (x ) 6x y +(y ) +(h 6k 8)x +( 6h+k+8)y +(h 6hk+k 8h+8k+1)=0 (b) 新的方程式仍為二元二次方程式 (c) 若 O h 6k 8 = 0 (h,k) 滿足, 此時 (h,k)=(1, 1), 6h + k + 8 = 0 即可讓新的方程式中 x y 的係數為 0 新的方程式化為 (x ) 6x y +(y ) +4=0 例子 : 平移座標軸到新原點 O (h,k) (a) 求曲線 Γ:4x 4xy+y x 4y+8=0 之新方程式 ( b)γ 對新坐標系的方程式是否仍是二元二次方程式 (c)γ 的新方程式可以消去兩個一次項嗎? [ 解法 ]: x = x + h (a) 由移軸公式 代入曲線 Γ 的方程式 y = y + k 4(x +h) 4(x +h)(y +k)+(y +k) (x +h) 4(y +k)+8=0 4(x ) 4x y +(y ) +(8h 4k )x +( 4h+k 4)y +(4h 4hk+k h 4k+8)=0 ( b) 新的方程式仍為二元二次方程式 ~ 1 4~
(c) 要消去兩個一次項 8h 4k = 0, 但這個聯立方程組無解! 4h + k 4 = 0 因此無法找到 (h,k) 使得 Γ 的新方程式可以消去兩個一次項 (4) 二元二次方程式的化簡 : 從上面兩個例子, 可知移軸後, 特殊的二元二次方程式對新的坐標系的方程式仍是 二元二次 並且二次項的對應係數不改變, 這樣的結果對於一般的二元二次方程式 Γ :ax +bxy+cy +dx+ey+f=0 (a +b +c 0).. 是否會成立? [ 推導一般情形 ]: x = x + h 把移軸公式 : 代入 Γ 的原方程式得 y = y + k a(x +h) +b(x +h)(y +k)+c(y +k) +d(x +h)+e(y +k)+f=0 乘開後按 式的形式整理得 ax +bx y +cy +d x +e y +f =0.. 其中 f = ah d = ah + bk + d e = bh + ck + e 比較 可以發現 + bhk + c k + dh + ek + f 移軸後, 二元二次方程式對新坐標系的方程式仍是二元二次方程式, 並且二次項的對應係數不改變 d = ah + bk + d a b 另一方面, 考慮 中 h,k 的係數行列式 e = bh + ck + e b a b 當 b c =4ac b 0 時, c ah + bk + d = 0 ( d = 0) 方程組 可以解出唯一的新原點 O (h 0,k 0 ) bh + ck + e = 0 ( e = 0) 若選擇新原點 O (h 0,k 0 ) 來平移坐標軸, 可使曲線 Γ 的新方程式化簡成 Γ:ax +bx y + cy +f =0 式中的二次項的係數不改變, 並且兩個一次項同時消去, 而常數項 f 的值是將新原點 (h 0,k 0 ) 代入下列的二次式 g(x,y)= ax +bxy+cy +dx+ey+f, 即 f =g(h 0,k 0 ) [ 討論 ]: a b 若 =0 (b 4ac=0) 時, 是否可以選取坐標原點 O (h,k), 使得 式中一次項 b c 的係數均為 0? ~ 1 5~
結論 : 設 g(x,y)= ax +bxy+cy +dx+ey+f, 二次曲線 Γ:g(x,y)=0, 若 b 4ac 0 時, 移軸到新原點 O ( h 0,k 0 ), 可使 Γ 的方程式消去一次項而化簡成 Γ:ax +bx y +cy +f =0, ah + bk + d = 0 其中 (h 0,k 0 ) 是方程組 的解, 常數項 f =g(h 0,k 0 ) bh + ck + e = 0 [ 例題 1] 將坐標系適當的平移, 使方程式 x +xy+y +4x+5y+6=0 的 x,y 項係數為 0, 得新方程式為何? Ans:x +x y +y 1=0 [ 例題 ] 二次曲線 Γ :ax + bxy+cy +dx+ey+f=0, 若 b 4ac 0, 對移軸至新原點 O (h,k) 請證明 Γ 對稱於 O (h,k) 的新坐標系而言,Γ 的新方程式為 ax +bx y +cy +f =0, [ 證明 ]: ax +bxy+cy +dx+ey+f=0 對稱於 O (h,k) ax +bx y +cy +f =0 對稱於 (0,0) 因此只須證明 ax +bx y +cy +f =0 對稱於 (0,0) 設 (m,n) 為 ax +bx y +cy +f =0 上的一點, am +bmn+cn +f =0 a( m) +b( m)( n)+c( n) +f =0 故 點對原點 (0,0) 之對稱點 Q( m, n) 亦在 ax +bx y + cy +f =0 故得證 Γ 對稱於 O (h,k) 一般而言, 二次曲線 Γ :ax +bxy+cy +dx+ey+f=0 當 b 4ac 0 時, 二次曲線 Γ 可找到對稱中心 (h,k) 就是消去一次項的平移新原點 此時二次曲 線 Γ 稱為有心錐線 當 b 4 ac=0 時, 二次曲線 Γ 沒有對稱中心, 此時二次曲線 Γ 稱為無心錐線 ~ 1 6~
( 練習 ) 在坐標平面上, 移軸到新原點 ( 4,3), (1) 若 A 點的原坐標為 ( 3,5), 則 A 點的新坐標為 () 若 B 點的新坐標為 (1,4), 則 B 點的原坐標為 (3) 已知直線 L 的原方程式為 x 3y+4=0, 則直線 L 的新方程為 (4) 已知圓 C 的新方程式為 x +y =5, 則圓 C 的原方程式為 Ans:(1)(1,) ()( 3,7) (3)x 3y 13=0 (4) (x+4) +(y 3) =5 ( 練習 3) 設拋物線 Γ:y 4x +4y + 8 = 0, 將原坐標系平移 ( h,k ) 後,Γ 的新方 程式為 y = 4 x, 求 ( h,k ) = Ans:( 1, ) ( 練習 4) 試求出 Γ:5x 6xy+5y 6x y+1=0 的對稱中心 Ans:(3,4) ( 練習 5) 請選擇適當的新原點 O (h,k), 平移坐標軸, 使得下列的二次曲線的新方程式不含一次項 x 及 y 7 (a)x +y +x= 4 (b)3x +y +6x+y+1=0 (c)y x +x+y=3 (d)xy+x+y=0 (e)x +xy+y x+3y+4=0 Ans:(a)x +y =, O ( 1,0) (b)x 1 + y 3 =1,O ( 1, 1) (c) y x 3 3 =1, O ( 1, 1 ) (d) x y =1,O ( 1, 1) (e)x +x y +y = 7 3,O ( 7 3, 8 3 ) ( 練習 6) 下列哪一方程式無法利用坐標軸平移至新原點 O (h,k) 後, 使其沒有 x y 項? (A)x +y +4x 6y+1=0 (B)y 4x 6y+1=0 (C)4x 4xy+y x 4y+8=0 (D)x 6xy+y 8x+8y+1=0(E)x +xy+y +x+y+6=0 Ans:(B)(C) ( 丙 ) 圖形的平移 (1) 圖形平移 : 方程式 f(x,y)=0 的圖形 Γ 沿著 a =(h,k) 平移可得方程式 f(x h,y k)=0 的圖形 Γ () 坐標軸平移 : 方程式 f(x h,y k)=0 的圖形 Γ 在移軸至 (h,k) 的座標 (x,y ) 下方程式為 f(x,y )=0 [ 例題 3] (1) 試畫出 x 4 + y =1 之圖形 x 4 () 利用 (1) 及坐標軸的平移畫 4 + y =1 之圖形 ~ 1 7~
[ 例題 4] 圖形 Γ:3x +y 6x 1=0 沿著向量 a =(3, ) 平移, 請問新的圖形 Γ 的方程式 為何? Ans:3x +y 4x+8y+54=0 x ( 練習 7) (1) 請畫出 3 + y 4 =1 之圖形 x 1 () 利用坐標平移的方法, 畫出 3 + y+ 4 =1 之圖形 ( 練習 8) 將圖形 Γ:x +y 4=0 依平行直線 3x y =0 之方向, 向右上方移動單位後, 形成新的圖形 Γ, 請問 Γ 的方程式為何? Ans:x +y x 1y+15=0 10 綜合練習 ~ 1 8~
(1) 將坐標軸平移, 以 ( 1,1) 為新原點, 若圖形 Γ 之方程式為 x +xy+y x y 1=0, 則 Γ 之新方程式為, 又欲使新方程式不含一次項, 則此平移應以為新原點 x 5 () 方程式 y= x 3 請利用平移坐標軸的方法, 判別出這是那一種曲線? (3) 在直角坐標中, 曲線 C 的方程式為 y=cosx, 現在平移坐標軸, 將原點移至 O ( π π, ), 則在新的坐標系中, 曲線 C 的方程式為 (A)y =sinx + π (B)y = sinx + π (C)y =sinx π (D)y = sinx π (4) 方程式 Γ:(x y+3)(x+y 5)=4, 現在移軸到新原點 ( 1,4), 請問新的方程式為何? (5) 請證明圓的方程式 x +y +ax+by+c=0, 經過移軸之後半徑不變 (6) 將坐標軸平移至新原點 O (h,k) 後, 兩直線 x+3y 4=0 和 x y+1=0 對新坐標的方程式分別為 x +3y 3=0 和 x y +5=0, 試求 (h,k)=? (7) 設拋物線 Γ: y=x 上有兩點 Q, 當坐標軸平移到 O (h,k) 後, Q 的新坐標依次為 (5,7) (7,19), (a) 求新坐標 O (h,k)? (b) 求拋物線 Γ 的新方程式? (8) 下列的二次曲線, 那一條有對稱中心, 若有請求出來 ; 若無, 說明理由 (a)5x +4xy+8y x+8y 7=0 (b)7x 6xy y 6x+y+7=0 (c)4x 4xy+y +x+4y+8=0 進階問題 (9) 使拋物線 y = x x 沿直線 L 1 :y = x 方向平行移動, 求與直線 L :x + y = 1, 相切之拋物線方程式為 ( 請注意這個問題是移動圖形, 而非坐標 ) 圖形依 y=x 的方向移動, 代表圖形沿著向量 (k,k) 平移 (10) 請求出 3x + y+1 =6 的圖形所圍成之區域的面積 =? (1) x x + y +y x +y =0,( 7, 3 7 ) 綜合練習解答 () 雙曲線 [ 提示 : 將新原點置於 O (3,), 即可得新的方程式 y = 1 x ] (3) (B) (4) (x y 6)(x +y +)=4 ~ 1 9~
= + + 得新方程式 (5) 略 (6) (, 1) (7) (a) ( 3, 3) (b)y 3=(x 3) [ 提示 : x 以 x +h,y 以 y +k 代入 Γ:y=x :y +k=(x +h) 7 + k = (5 + h) 新坐標 (5,7) (7,19) 代入求 h,k, 解出 (h,k)=( 3, 3)] 19 + k = (7 + h) (8) (a) 對稱中心 (1, ) (b) 對稱中心 (1, ) (c) 因為 ( 4) 4 4 1=0, 故無對稱中心 (9) y = x 5x + 3 [ 解法 ]: 沿著斜率為 的直線移動, x 以 x α,y 以 y α 代入 Γ :y = x x 得 y α = ( x α ) ( x α ) (1) 此與直線 L B B:x + y = 1 相切, 消去 y 得 1 x α = ( x α x + α ) x +α 整理得 x 4α x + α 3α 3 = 0 有二重根, 因而判別式 D B Bx ( 4α ) 4 ( α 3α 3 ) = 0 得 α = 1 代入 (1) 得 y = x 5x +3 1 (10) 1 [ 提示 :3 x x + y + 3 + y+1 =6 3 + = 3 1 ] ~ 1 10~