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求解与给定空间双曲线相切且无其他交点的平行平面参数d的方法

求解与给定空间双曲线相切且无其他交点的平行平面参数d的方法

咱们一步步来拆解这个问题,其实核心就是把你已经得到的两个三角函数方程,通过变量替换转化为代数问题求解,具体步骤如下:

步骤1:简化切线垂直条件的方程

首先看第二个方程,也就是切线向量与法向量n垂直的条件:
n·(V₁ sec t tan t + V₂ sec²t) = 0
因为sec t = 1/cos t永远不为0,咱们可以把方程两边同时除以sec t,简化成:
n·V₁ * tan t + n·V₂ * sec t = 0

为了更清晰,咱们令a = n·V₁b = n·V₂,这个方程就变成了:
a tan t + b sec t = 0

步骤2:求解三角函数关系

把上面的方程移项整理:a tan t = -b sec t,这里如果a=0的话,会得到b sec t=0,但sec t不可能为0,所以此时必须b=0,这种情况咱们后面单独说。

先处理a≠0的情况,咱们把等式两边平方(注意:平方可能会引入增根,后面一定要验证):
a² tan²t = b² sec²t
利用三角恒等式tan²t = sec²t - 1代入,整理后得到:
(a² - b²)sec²t = a²
由此可以解出:
sec²t = a²/(a² - b²)
这里要保证分母a² - b² ≠ 0,且右边为正,也就是a² > b²,否则没有实数解,说明不存在这样的相切平面。

a tan t = -b sec t,咱们还能得到tan t = -b/a * sec t,这个关系后面代入求d会用到。

步骤3:代入求d的表达式

现在把sec ttan t代入第一个求d的方程:
d = n·V₀ + n·V₁ sec t + n·V₂ tan t
替换成ab,再代入tan t = -b/a sec t,整理一下:

d = n·V₀ + a sec t + b*(-b/a sec t)
= n·V₀ + sec t*(a - b²/a)
= n·V₀ + sec t*(a² - b²)/a

再把sec t = ±a/√(a² - b²)(从sec²t = a²/(a² - b²)开方得到,注意正负号)代入,最终可以得到:
d = n·V₀ ± √(a² - b²)
ab代回去,就是:
d = n·V₀ ± √[(n·V₁)² - (n·V₂)²]

步骤4:验证与特殊情况处理

  • 增根验证:因为之前平方了方程,得到的d对应的t值要代回原切线垂直方程验证,确保真的满足a tan t + b sec t = 0,而不是平方后才成立的增根。
  • 当a² = b²时:也就是(n·V₁)² = (n·V₂)²,这时候sec²t的分母为0,回到原方程a tan t + b sec t = 0,可以转化为a sin t + b = 0,结合a² = b²会得到sin t = ∓1,但此时sec ttan t都无意义,说明这种情况下不存在符合要求的相切平面。
  • 当a=0且b=0时:也就是nV₁、V₂都垂直,此时n·H'(t)=0对所有t都成立,n·H(t)=n·V₀,对应的平面会和双曲线所有点相交,不符合“无其他交点”的要求,所以没有合格的d

另外从几何角度看,d = n·V₀ ± √[(n·V₁)² - (n·V₂)²]其实是函数n·H(t)的最大值和最小值,当平面取这两个d值时,刚好和双曲线在极值点处相切,不会有其他交点,完美符合你的要求。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者user948761

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