
(↑不要在意这个图,它就是用来撑场子的(本条五毛))
那么,如果有一个刚学几何的小学生来问你:椭圆是个被压扁的圆吗?作为数竞大佬,你怎么回答呢?

数竞大佬:23333当然不是!椭圆是:
平面内到定点F1、F2的距离之和
等于常数(大于F1●F2)的动点P的轨迹
或者是:
用一个平面去截一个二次锥面,当平面只与二次锥面一侧相交,
且不过圆锥顶点,结果为椭圆
估计回答会是这类来自人教版选修2-1(或者别的奇怪的教材)的只能让人晕头转向的定义,或许听起来这个回答更有逻辑一点:
椭圆不是被压扁的圆,因为圆只是椭圆在离心率等于1的时候的特例。
估计马上就有人来反驳你了:
去你的,我椭圆的定义(见上)里面根本就没有说离心率可以等于1!
好吧,让我们别再争吵这个问题了,但不管如何今天这里的回答却是:YES。
何以证明呢,两张图就够了:

圆那么可爱为什么要压扁她
这是一个安全无公害的单位圆,然而,接下来就是见证奇迹的时刻:

啊!不要!!!
看,这个圆真的变成椭圆了,而且它的四个顶点的坐标没有任何变化!

你TM逗我的吧
好吧,如果你没有在0.01秒内反应过来自己被愚弄了的话也许我就该放肆的笑一会了。事实上我们还可以把它拉成一个焦点在y轴的椭圆,要的只是这种操作:

没错,我们只是更改了x轴和y轴的显示比例就轻松地把圆压成了椭圆,这似乎是不是能让人想起一些类似的东西,比如——三角函数?

y=sinx的图像

y=sin2x的图像
乍一看这两张图似乎以一模一样,但前一张应该是频率比第二张少一半的正弦波,只不过把显示比例调成了2:1……现在让我们理清一下思路:
函数(方程)的变换有时是可以看做调整x和y的比例而得到的
这就是我们今天要讲的重点了:这种变换一般就被称作“伸缩变换”,当然也有叫“仿射变换”的(不过这个名字太难听了)

那么你要说了:这玩意又有什么用?我好好的一个圆你愣是把它弄成椭圆了我做个毛线题……
哦不不不不,我们用伸缩变换做的恰恰相反:是把椭圆变成圆

呃,这个题,我不知道出处是哪(邪魅一笑)
先告诉你一招最重要的:伸缩变换以后面积成比例。神马意思呢,就是如果你讲原来(x,y)的坐标系缩放成了(ax,by)的坐标系,那么在原来坐标系中面积为S是图形面积就会变为abS。
这样一来,比如说我们这题中椭圆上不规则的三角形(别被这个图糊弄了,它可只是A、B在椭圆顶点上的一个特殊情况!)根本没法求面积,但是如果我们把它缩成圆,就可以用垂径定理轻松地找到它的高了!
让我们来看看解答:

第一题的答案
实际解题的时候有一个很重要的思想:就是把变换后的坐标系想想为一个船新全新的坐标系,就像平行宇宙一样和原题目的坐标系毫无干系,我们只不过用比例关系罢了,所以在表示线段、直线、圆锥曲线的时候,统统地用带“ ' ”或是下标的符号,以示区分。
把椭圆变成半径为1的单位圆自然是最简单了,所以我们这里采用了(x,y)→(√2/2x,y)的变换,那么我们原来的三角形面积就是新平行宇宙坐标系三角形的根号2倍,问题就很快迎刃而解了。
那么,伸缩变换只能来求面积吗?
当当当然不是,它还有以下似乎显然但很有用的性质:
1、直线经过伸缩变换后还是直线
2、线段上的定比分点关系在变换后不变
比如说这个第一条吧,不就是废话吗,有什么用?!看来下面这个估计你不会这么想了:

2016河南预赛第11题
没错,这句“直线经过伸缩变换后还是直线”就是说明原来直线要是过一个定点的话,变换后的直线也过那个定点!,还等什么,赶不快给这个椭圆整容成这样:

伸缩变换之后
因为这道题椭圆长轴比较长,自然变成单位圆就很不现实,不如变成一个半径为5的圆,然后just like this↓

这个时候就要好好猜一把定点就是x轴上的那个点了!
凡是涉及什么斜率、长度之比的,变换以后一律不变,这是第二条说的,那么题目的条件我们就可以直接照搬,然后看起来繁琐的解析几何题就瞬间变成圆里面的平面几何题了:


还不如直接让椭圆消失看的更清楚点
一旦将线段M'N;的比例转化为直径AB上的比例,bingo,这道题就等于说是秒杀了!你甚至不需要设任何点的坐标、直线的方程,干什么联立韦达定理的勾当,这个时候你估计已经看到第二题的求面积了,这不正和我意!而且整个的解答就更不像解几题了:


理解这个答案,只要注意一下AF'=BG',所以三角形AM'F'和BM'G'、三角形AF'N'和BG'N'的面积相等,以及根据F'O=G'O得到的两倍关系就是小学级别的面积代换了,这也就是为什么取一个和G‘对称的F’的原因了,当然在做完这一切后千万别忘了再乘一个0.6得到变换前的面积。
也许看过选修4-2或是知道矩阵的你(那真是巨佬,我要膜一膜)已经爆出一句:“这个就是矩阵变换”之类的话了

孤陋寡闻了吧
没错,变换坐标系其实就是矩阵的一个很通俗易懂的理解,而我们两个求面积的例子其实就是很多书上提到的“行列式”运算罢了,如果真的想要直观的理解这些恐怖的线性代数的内容,推荐你去看3Blue1Brown的视频吧(这可真不是广告!)

但是!为了不让改你试卷的各县市中学老师一脸懵b,在你的初赛试卷上还是不要出现矩阵的好,“伸缩变换”就够了吧。我们下期再见。
制图软件:GeoGebra,部分图片(表情包资源来自网络)
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