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如何证明水平开口双曲线的渐近线斜率为±b/a?

证明水平开口双曲线的渐近线斜率为$\pm \frac{b}{a}$

嘿,这个推导其实挺直观的,核心就是利用渐近线的定义:当曲线上的点趋向于无穷远时,它和渐近线的距离趋近于0——换句话说,在x或y趋向无穷的极限情况下,双曲线的方程可以近似成直线方程。我们一步步来拆解:

  1. 从双曲线标准方程变形,解出y的表达式
    给定水平开口双曲线的标准方程:
    $$\frac{(x-h)2}{a2} - \frac{(y-k)2}{b2} = 1$$
    先把含y的项单独移到等式一侧:
    $$\frac{(y-k)2}{b2} = \frac{(x-h)2}{a2} - 1$$
    两边同时乘以$b^2$:
    $$(y-k)^2 = b^2\left( \frac{(x-h)2}{a2} - 1 \right)$$
    对两边开平方(注意正负号):
    $$y - k = \pm b \sqrt{\frac{(x-h)2}{a2} - 1}$$

  2. 提取公因式,简化根号内的表达式
    我们可以把根号里的$\frac{(x-h)2}{a2}$提出来,改写一下:
    $$y - k = \pm b \cdot \frac{|x-h|}{a} \cdot \sqrt{1 - \frac{a2}{(x-h)2}}$$
    这里的$\frac{|x-h|}{a}$其实就是$\frac{x-h}{a}$的绝对值——当x趋向正无穷时,$|x-h|=x-h$;趋向负无穷时,$|x-h|=-(x-h)$,不过这对最终的斜率符号影响不大,我们继续看极限情况。

  3. 分析x趋向无穷时的极限
    当$|x-h| \to +\infty$(也就是x离中心$(h,k)$越来越远,趋向无穷大),$\frac{a2}{(x-h)2}$这个项会趋向于0——因为分母是平方的无穷大,分子是固定常数。这时候根号里的部分:
    $$\sqrt{1 - \frac{a2}{(x-h)2}} \to \sqrt{1 - 0} = 1$$

  4. 得到渐近线方程,确定斜率
    代入回去,y的表达式就近似为:
    $$y - k = \pm \frac{b}{a}(x - h)$$
    这是典型的直线点斜式方程,其中斜率就是$\pm \frac{b}{a}$。而根据渐近线的定义,当x趋向无穷时,双曲线上的点会无限接近这条直线,所以这就是双曲线的渐近线,斜率自然就是$\pm \frac{b}{a}$。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者user525966

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