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函数y=x (m>0),很多老师在教学中会冠以它一个响亮的名字——“对勾”函数,这样似乎既形象直观地刻画了这个函数的性质特征,又能让学生加深对它的印象.但是如果函数y=x (m>0)可以叫“对勾”函数,那么y=x (m<0)该叫什么呢?笔者通过研究发现,所谓的“对勾”函数只不过是双曲线家族的普通一员,若长期冠以“对勾”这样的“头衔”,那么在掩盖它的真实身份的同时,也掩盖了它的更多的性质.接下来,就来揭开函数y=x (m≠0)的真实面纱.
1.庖丁解牛
高中阶段主要研究了焦点在坐标轴上的双曲线方程,以下对中心在坐标原点,焦点在x轴上的双曲线 - =1(a>0,b>0)举例说明.
因为双曲线 - =1(a>0,b>0)在平移变化和旋转变化下的形状不发生变化,其中在平移变化下为: - =1(a>0,b>0),方程结构没有大的变化,双曲线的各种性质也容易研究,此处不做展开.而在旋转变化下, - =1(a>0,b>0)结构会发生很大的变化.
引理:点P(x,y)在平面直角坐标系下,绕原点逆时针旋转α角的旋转变化,记为R ,旋转后的点P′(x′,y′).
(1)R 对应于矩阵,R =cosα -sinα|sinα cosα;(2)x′y′=R xy=cosα -sinαsinα cosαxy,
即:点P(x,y)在R 变化后的点P′(x′,y′)满足:x′=xcosα-ysinαy′=xsinα ycosα.
设P(x,y)为双曲线 - =1(a>0,b>0)上任意一点,在R 变化后的点为P′(x′,y′),
所以x′=xcosα-ysinαy′=xsinα ycosα(α为旋转角)…(*)
双曲线 - =1(a>0,b>0)的两条渐近线l :y= 和l :y=- x,记l 的倾斜角为θ(其中tanθ= ),现将l 绕原点逆时针旋转 -θ,使得l 与y轴重合,取α= -θ,所以有cosα= sinα= 代入(*)得x′= x- yy′= x y…(1)
解得x= y= 又 - =1,所以 - =1,整理后得:y′= x′ ,
令:k= ,m= ,则有:y′=kx′ (k∈R,m>0)…(2)
2.柳暗花明
通过上述证明,函数y=kx (k∈R,m>0)的图像可由双曲线通过旋转得到,当然y=kx (m>0)的真实身份就是双曲线.
结论:函数y=kx (k∈R,m≠0)的图像为双曲线.
注:m<0的图像,可由m>0时的图像关于y轴对称变换得到.
所以所谓的“对勾”函数y=x (m>0)的图像,其实质是一双曲线,当然y=x (m<0)也是一双曲线。那么双曲线y=x (m>0)与y=x (m<0)它们之间有什么关系呢?
3.顺藤摸瓜
既然函数y=kx (k∈R,m>0)的图像为双曲线,当然它也具有双曲线的一些性质。
(Ⅰ)根据(2)k= ,m= ,以及旋转前双曲线的离心率e= 得,双曲线y=kx (m≠0)的离心率与k的关系为:k= .
(Ⅱ)由(1)的旋转变化,双曲线 - =1的另一渐近线l :y=- x在旋转变为y′= x′,即:双曲线y=kx (m>0)的两条渐近分别为直线x=0和y=kx.
特别地:当a=b,即e= 时,k=0,双曲线y= (m>0)是由等轴双曲线 - =1,绕原点逆时针旋转 得到,其中m= ,且两条渐近分别为直线x轴和y轴.
注:m<0的图像,可由m>0时的图像关于y轴对称变换得到.
结论:反比列函数y= (m≠0)的图像为等轴双曲线.
(Ⅲ)双曲线y=kx (m≠0),当m>0时,实轴长=2 ;虚轴长=2 ;当m<0时,实轴长=2 ;虚轴长=2 ;焦距=4 .
(Ⅳ)y=kx (m≠0)与y=kx- (m≠0)互为共轭双曲线.
反思:虽然函数的图像很多情况下可以直观地刻画函数的性质,但是图像毕竟只是函数的“表象”,我们要通过“表象”看事物的本质,只有看透了事物本质,才能胸有成竹,百战不殆,抓住事物本质是数學教学的重要目标之一.
1.庖丁解牛
高中阶段主要研究了焦点在坐标轴上的双曲线方程,以下对中心在坐标原点,焦点在x轴上的双曲线 - =1(a>0,b>0)举例说明.
因为双曲线 - =1(a>0,b>0)在平移变化和旋转变化下的形状不发生变化,其中在平移变化下为: - =1(a>0,b>0),方程结构没有大的变化,双曲线的各种性质也容易研究,此处不做展开.而在旋转变化下, - =1(a>0,b>0)结构会发生很大的变化.
引理:点P(x,y)在平面直角坐标系下,绕原点逆时针旋转α角的旋转变化,记为R ,旋转后的点P′(x′,y′).
(1)R 对应于矩阵,R =cosα -sinα|sinα cosα;(2)x′y′=R xy=cosα -sinαsinα cosαxy,
即:点P(x,y)在R 变化后的点P′(x′,y′)满足:x′=xcosα-ysinαy′=xsinα ycosα.
设P(x,y)为双曲线 - =1(a>0,b>0)上任意一点,在R 变化后的点为P′(x′,y′),
所以x′=xcosα-ysinαy′=xsinα ycosα(α为旋转角)…(*)
双曲线 - =1(a>0,b>0)的两条渐近线l :y= 和l :y=- x,记l 的倾斜角为θ(其中tanθ= ),现将l 绕原点逆时针旋转 -θ,使得l 与y轴重合,取α= -θ,所以有cosα= sinα= 代入(*)得x′= x- yy′= x y…(1)
解得x= y= 又 - =1,所以 - =1,整理后得:y′= x′ ,
令:k= ,m= ,则有:y′=kx′ (k∈R,m>0)…(2)
2.柳暗花明
通过上述证明,函数y=kx (k∈R,m>0)的图像可由双曲线通过旋转得到,当然y=kx (m>0)的真实身份就是双曲线.
结论:函数y=kx (k∈R,m≠0)的图像为双曲线.
注:m<0的图像,可由m>0时的图像关于y轴对称变换得到.
所以所谓的“对勾”函数y=x (m>0)的图像,其实质是一双曲线,当然y=x (m<0)也是一双曲线。那么双曲线y=x (m>0)与y=x (m<0)它们之间有什么关系呢?
3.顺藤摸瓜
既然函数y=kx (k∈R,m>0)的图像为双曲线,当然它也具有双曲线的一些性质。
(Ⅰ)根据(2)k= ,m= ,以及旋转前双曲线的离心率e= 得,双曲线y=kx (m≠0)的离心率与k的关系为:k= .
(Ⅱ)由(1)的旋转变化,双曲线 - =1的另一渐近线l :y=- x在旋转变为y′= x′,即:双曲线y=kx (m>0)的两条渐近分别为直线x=0和y=kx.
特别地:当a=b,即e= 时,k=0,双曲线y= (m>0)是由等轴双曲线 - =1,绕原点逆时针旋转 得到,其中m= ,且两条渐近分别为直线x轴和y轴.
注:m<0的图像,可由m>0时的图像关于y轴对称变换得到.
结论:反比列函数y= (m≠0)的图像为等轴双曲线.
(Ⅲ)双曲线y=kx (m≠0),当m>0时,实轴长=2 ;虚轴长=2 ;当m<0时,实轴长=2 ;虚轴长=2 ;焦距=4 .
(Ⅳ)y=kx (m≠0)与y=kx- (m≠0)互为共轭双曲线.
反思:虽然函数的图像很多情况下可以直观地刻画函数的性质,但是图像毕竟只是函数的“表象”,我们要通过“表象”看事物的本质,只有看透了事物本质,才能胸有成竹,百战不殆,抓住事物本质是数學教学的重要目标之一.