下载文档原格式
高等几何教案与课后答案教案章节：第一章绪论教学目标：1. 了解高等几何的基本概念和发展历程。
2. 掌握空间解析几何的基本知识。
3. 理解高等几何在数学和物理学中的应用。
教学内容：1. 高等几何的基本概念点的定义向量的定义线和面的定义2. 发展历程古典几何的发展微积分与解析几何的兴起高等几何的发展和应用3. 空间解析几何坐标系和坐标变换向量空间和线性变换行列式和矩阵运算教学重点与难点：1. 重点：高等几何的基本概念，发展历程，空间解析几何。
2. 难点：空间解析几何中的坐标变换和线性变换。
教学方法：1. 采用讲授法，系统地介绍高等几何的基本概念和发展历程。
2. 通过示例和练习，让学生掌握空间解析几何的基本知识。
3. 利用图形和实物，帮助学生直观地理解高等几何的概念。
教学准备：1. 教案和教材。
2. 多媒体教学设备。
教学过程：1. 引入新课：通过简单的几何图形，引导学生思考高等几何的基本概念。
2. 讲解：按照教材的顺序，系统地介绍高等几何的基本概念和发展历程。
3. 示例：通过具体的例子，讲解空间解析几何的基本知识。
4. 练习：布置练习题，让学生巩固所学知识。
5. 总结：对本节课的内容进行总结，强调重点和难点。
课后作业：1. 复习本节课的内容，整理笔记。
2. 完成教材中的练习题。
教学反思：在课后对教学效果进行反思，根据学生的反馈调整教学方法和内容。
教案章节：第二章向量空间教学目标：1. 掌握向量空间的基本概念。
2. 理解线性变换和矩阵运算。
3. 学会运用向量空间解决实际问题。
教学内容：1. 向量空间向量的定义和运算向量空间的性质向量空间的基底和维度2. 线性变换线性变换的定义和性质线性变换的矩阵表示线性变换的图像3. 矩阵运算矩阵的定义和运算矩阵的逆矩阵矩阵的秩教学重点与难点：1. 重点：向量空间的基本概念，线性变换和矩阵运算。
2. 难点：线性变换的矩阵表示和矩阵的秩。
教学方法：1. 采用讲授法，系统地介绍向量空间的基本概念。
第五章高等几何第一节课程概论1、本课程的起源与发展早自欧洲文艺复兴时期，由于绘图和建筑等的需要，透视画的理论逐步形成，以后便建立了画法几何。
法国数学家蒙日(GaspardMonge，1746-1818)在1768到1799年之间和1809年分别出版了画法几何和微分几何两部经典著作，由于画法几何理论的发展，他的学生彭色列（JeanPoncelet，1788-1867)继承了这两部著作中的综合思想，于1822年写了一本书，它是射影几何方面最早的专者。
继彭色列之后，法国人沙尔(Michel Chasles，1793-1880) 等对射影几何的研究都做出了重要贡献。
出生于德国数学家史坦纳(Jacob Steiner，1796-1863)改进了射影几何的研究工具，并且把它们应用到各种几何领域，因而得到了丰硕结果。
到了19世纪上半叶，几何学的发展经历了它的黄金时代。
在这期间，古典的欧几里得几何学不再是几何学的唯一对象，射影几何学正式成为一门新学科。
英国人凯莱（Cayley，1821-1895）和德国人克莱因（Christian Felix Klein，1849-1925）等人用变换群的方法研究了这个分支，射影几何便成为完整独立的学科。
射影几何的诞生诱发于透视理论，一个射影平面就是由欧几里得平面添加所谓无穷远直线而得到的。
克莱因对于几何学理论的统一性有着执著的追求，他在成功地把几种度量几何统一于射影几何之后，就立即在更深层次上寻求统一各种几何学理论的基础。
在19世纪，人们开始把几何中图形的一些性质看作是一种“变换”运动的结果。
如正方形的“中心对称性”，就是将正方形绕其两条对角线的交点O“旋转”180°后仍重合的结果。
正方形的“轴对称性”，就是将正方形绕过O点的水平轴“反射”（即翻转）180°后仍重合的结果。
这里的“旋转”、“反射”就可以分别被看作是一种“变换”。
更为重要的是，数学家们进一步发现，这个正方形上的所有旋转、反射、平移等变换所构成的集合，满足群的条件，因而构成一个“变换群”。
《高等几何》课程教学大纲课程名称：高等几何英文名称：课程代码: 课程类别: 专业必修学分: 3 学时: 48开课单位: 数学系适用专业: 数学与应用制订人：制订日期: 2011.11.18审核人：（教研室主任签字）审核日期：审定人: （分管教学副主任签字）审定日期:一、课程性质与目的（一）课程的性质高等几何是高等师范院校数学与应用数学专业的一门选修课程。
高等几何课程更是大学“数学与应用数学”专业的重要基础课程，在人才培养中有着最基本的重要性，是大学、研究生阶段的数学学习和未来从事数学教学、研究的重要基础。
（二）课程的目的本课程的目的是使学生在已学习初等几何，解析几何和高等代数的基础上，系统地学习射影几何的知识。
并通过学习实射影平面几何的基础知识，使学生认识射影空间、欧氏空间的内在联系。
从而发展空间概念，更深入地掌握初等几何，解析几何和高等代数的知识，在数学思想上得到启发，在数学方法上得到初步训练，为教好中学数学打下较坚实的基础。
二、与相关课程的联系与分工高等几何、高等数学、数学分析统称为“三高”，它们是高等师范院校数学专业的三门基础课程。
但是，本课程与其他两门课程相比，地位就相形见绌了。
同时本课程是以射影几何学为理论基础，因此学习本课程的学生应具备相应的初等几何、解析几何、高等代数等课程的基础知识。
三、教学内容及要求第一章仿射坐标与仿射变换【教学要求】本章是基于变换群的观点，对几何学的高度抽象概括，给出研究几何学的变换群观点。
要求掌握透视仿射对应、仿射对应与仿射变换、仿射坐标系，并能熟练地求出仿射变换的代数表示式，区别什么是射影平面，仿射平面，欧氏平面【教学重点】仿射坐标系；仿射变换的代数表示【教学难点】仿射性质；射影观点的建立；仿射变换的应用【教学内容】第一节透视放射对应第二节仿射对应与仿射变换第三节仿射坐标一、仿射坐标系二、放射变换的代数表示三、几种特殊的仿射变换第四节仿射的性质第二章射线平面【教学要求】本章作为学习全课程的基础和中心内容，重点讲解欧氏平面的拓展过程，在此基础上给出射影直线和影射平面的概念和模型，使得学生明确了解欧氏直线和射影直线、欧氏平面和影射平面的区别和联系。
第五章 二次曲线的仿射性质如果将仿射变换(5.0.1) 111112213221122223''x a x a x a x a x a x a =++⎧⎨=++⎩ 111221220a a a a ∆=≠ 用点的齐次坐标表示，设''1212''3333',',,x x x xx y x y x x x x ====，于是(5.0.1)化为'112111213'333'212212223'333x x x a a a x x x x x x a a ax x x ⎧=++⎪⎪⎨⎪=++⎪⎩设'33x x ρ=，上式变为(5.0.2) 1111122133221122223333'',0,0'x a x a x a x x a x a x a x x x ρρρρ=++⎧⎪=++∆≠≠⎨⎪=⎩上式是用齐次坐标表示的仿射变换公式。
显然，(5.0.2)使30x =变成3'0x =，可见仿射变换是使无穷远直线仍变成无穷远直线的射影变换。
本章将以无穷远直线不变这一仿射性质为基础研究二次曲线（只研究二阶曲线）的仿射性质及其分类。
§1 二次曲线的仿射性质1.1二次曲线与无穷远直线的相关位置设二次曲线的方程为(5.1.1) 3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑现在求无穷远直线30x =与二次曲线的交点，将30x =代入(5.1.1)得 (5.1.2) 22111121222220,a x a x x a x ++= 解(5.1.2)得(5.1.3)1211x x =因此当21211220a a a -<时，(5.1.3)为二虚根； 当21211220a a a -=时(5.1.3)为二相等实根； 当21211220a a a ->时(5.1.3)为二不等实根。
第五章 二次曲线的仿射性质如果将仿射变换(5.0.1) 111112213221122223''x a x a x a x a x a x a =++⎧⎨=++⎩ 111221220a a a a ∆=≠ 用点的齐次坐标表示，设''1212''3333',',,x x x xx y x y x x x x ====，于是(5.0.1)化为'112111213'333'212212223'333x x x a a a x x x x x x a a ax x x ⎧=++⎪⎪⎨⎪=++⎪⎩设'33x x ρ=，上式变为(5.0.2) 1111122133221122223333'',0,0'x a x a x a x x a x a x a x x x ρρρρ=++⎧⎪=++∆≠≠⎨⎪=⎩上式是用齐次坐标表示的仿射变换公式。
显然，(5.0.2)使30x =变成3'0x =，可见仿射变换是使无穷远直线仍变成无穷远直线的射影变换。
本章将以无穷远直线不变这一仿射性质为基础研究二次曲线（只研究二阶曲线）的仿射性质及其分类。
§1 二次曲线的仿射性质1.1二次曲线与无穷远直线的相关位置设二次曲线的方程为(5.1.1) 3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑现在求无穷远直线30x =与二次曲线的交点，将30x =代入(5.1.1)得 (5.1.2) 22111121222220,a x a x x a x ++= 解(5.1.2)得(5.1.3)1211x x =因此当21211220a a a -<时，(5.1.3)为二虚根； 当21211220a a a -=时(5.1.3)为二相等实根； 当21211220a a a ->时(5.1.3)为二不等实根。
现在我们根据233121122()A a a a =--的符号将(5.1.1)所表示的二次曲线分类。
定义1.1 当330A >时，称(5.1.1)所表示的曲线为椭圆型的曲线；当330A <时，称(5.1.1)所表示的曲线为双曲型曲线；当330A =时，称(5.1.1)所表示的曲线为抛物型曲线，且||0ij a ≠当时，把上述三种类型的曲线分别称为椭圆，双曲线，抛物线。
由定义，显然双曲线与无穷远直线有两个实交点，抛物线与无穷远直线相切，椭圆与无穷远直线有两个共轭虚交点，我们称二次曲线与无穷远直线的交点为曲线上的无穷远点，如图5-1-1所示图5-1-1由定义显然可知，一个非退化二次曲线表示抛物线的充要条件是它与无穷远直线相切。
1.2二次曲线的中心定义1.2 无穷远直线关于二次曲线的极点称为此二次曲线的中心。
定理1.1 二次曲线3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑的中心坐标为313233(,,)A A A证明 设无穷远直线30x =关于二次曲线3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑的极点为123(,,)C c c c ，于是根据求已知直线的极点公式有11112213321122223331132233300,0,a c a c a c a c a c a c a c a c a c λλ++=⎧⎪++=≠⎨⎪++=⎩ 所以(5.1.4) 121313111112123313233222323212122::::::a a a a a a c c c A A A a a a a a a == 故二次曲线的中心坐标为313233(,,)A A A定理1.2 双曲线，椭圆各有唯一中心且为有穷远点，而抛物线的中心为无穷远点。
证明 由定理1.1 的结论，当二次曲线表示双曲线或椭圆时，由于330A ≠，所以其中心为有穷远点，坐标为313233(,,)A A A 。
当二次曲线表示抛物线时，由于330A =，所以其中心为无穷远点，坐标为3132(,,0)A A 。
图5-1-2表示三种二次曲线中心的情况。
图5-1-2定理1.3 抛物线的中心C 的坐标为1211(,,0)a a -或者2212(,,0)a a -。
证明 当二次曲线表示抛物线时，它与无穷远直线相切，这时无穷远直线的极点即抛物线与无穷远直线的切点C ∞，所以抛物线的中心是无穷远点C ∞，把30x =代入3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑，得22111121222220a x a x x a x ++=所以1211x x = 因为21211220a a a -=所以 112211x a x a -=从而1211(,,0)C a a -又由21211220a a a -=，得12221112a a a a =，又有 2212(,,0)C a a -以后我们把椭圆与双曲线称为有心二次曲线，抛物线称为无心二次曲线。
1.3二次曲线的直径与共轭直径定义1.3 无穷远点关于二次曲线的极线称为这个二次曲线的直径。
注意：(1)由于中心是无穷远直线的极点，根据配极原则，过中心的直线的极点必是无穷远点，反之，无穷远点的极线必过中心，因此，直径的定义也可叙述为：通过二次曲线的中心的直线称为直径。
（2）由于抛物线与无穷远直线相切，所以无穷远点关于抛物线的极线均过这个切点，即抛物线的直径有公共的无穷远点，亦即抛物线的直径是互相平行的，如图5-1-3所示。
图5-1-3定理 1.4 二次曲线3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑的一组平行弦的中点在它的一条直径上。
证明 设二次曲线0S =的一组平行弦交于P ∞，则P ∞与每条平行弦的中点关于0S =共轭，即每条平行弦的中点都在P ∞的极线上，也就是在二次曲线0S =的一条直径上。
下面求出二次曲线3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑的直径方程。
因为直径是无穷远点的极线，设无穷远点为(,,0)P αβ，则它的极线为0p S =，即(5.1.5) 111122133211222233()()0a x a x a x a x a x a x αβ+++++=当0α≠时，直径的方程也可写为(5.1.6) 111122133211222233()0a x a x a x k a x a x a x +++++=当二次曲线表示抛物线时，它与无穷远直线的切点为1211(,,0)O a a ∞-或者2212(,,0)a a -。
因为这时直径均经过O ∞点，是一组平行直线，所以直径的方程为(5.1.7) 11112230a x a x bx ++= 其中b 是参数或(5.1.8) 21122230a x a x bx ++= 其中b 是参数定义1.4 二次曲线的一条直径与无穷远直线的交点的极线称为该直径的共轭直径 注意：（1）由定义及配极原则，显然二直径的共轭关系是互相的。
（2）由于二互相共轭的直径彼此通过另一个的极点，所以共轭直径的定义也可叙述为：通过中心的两条共轭直线称为共轭直径，与一对共轭直径平行的方向，称为共轭方向。
（3）因为抛物线的直径都通过抛物线与无穷远直线的切点，所以抛物线的直径无共轭直径，但抛物线的每一直径也平分一组平行弦，如图5-1-4所示。
图5-1-4我们称抛物线的直径与其所平分的弦的方向为共轭方向，但不是共轭直径。
定理1.5 与有心二次曲线的一条直径平行的一组弦，被它的共轭直径平分。
证明 设直径AB 与直径CD 共轭，直径AB 的无穷远点P ∞是CD 的极点，过P ∞点引直线交曲线于,E F ，交CD 于G ，则有 (,)1EF GP ∞=-所以G 平分EF ，又EF AB ，所以CD 平分与AB 平行的弦。
反之，如果CD 平分与AB 平行的弦，则CD 必为AB 与无穷远直线交点P ∞的极线，所以CD 为AB 的共轭直径。
由下图5-1-5还可看出过,C D 两点的切线必通过的极点P ∞，所以这两条切线平行于AB ，故有图5-1-5推论 过一条直径两端点的切线平行于该直径的共轭直径（如图5-1-6）图5-1-6定理1.6 一对共轭直径和无穷远直线组成一个自极三角形。
证明 共轭直径的交点是二次曲线的中心C ，C 是无穷远直线的极点。
同时一条直径与无穷远直线的交点正好是其共轭直径的极点，所以它们组成一个自极三角形。
下面我们将求出两条直径成为共轭直径的条件： 已知二次曲线3,,10,()ij ijij ji i j S a x xa a ====∑的一条直径l ：111122133211222233()0a x a x a x k a x a x a x +++++=l 与无穷远直线之交点为12221112(,(),0),P a a k a a k P ∞∞+-+之极线'l 为l 的共轭直径。
'l 的方程为 11112213312222112222331112()()()()0a x a x a x a a k a x a x a x a a k +++-+++=即(5.1.9) 111122133211222233()'()0a x a x a x k a x a x a x +++++=其中11121222'a a kk a a k+=-+即(5.1.10) 111222(')'0a a k k a kk +++= (5.1.10)为两条直径l 与'l 成为共轭直径的条件。
注意：条件(5.1.10)为两个线束111122133211222233()0a x a x a x k a x a x a x +++++=与 111122133211222233'()0a x a x a x k a x a x a x +++++=的对应成为对合对应的条件，所以二次曲线的直径和其共轭直径间的对应是对合对应。
1.4二次曲线的渐近线定义1.5 二次曲线上的无穷远点的切线，如果不是无穷远直线，则称为二次曲线的 渐近线。
显然，由定义可得：抛物线无渐近线，双曲线有两条实渐近线，椭圆有两条虚渐近线。
渐近线有如下性质：定理1.7 二次曲线的两条渐近线相交于中心，而且调和分离任何一对共轭直径。
证明 如图5-1-7，图5-1-7t 和't 是渐近线，,'l l 是一对共轭直径，因为渐近线是切线，所以切点,'T T 就是它们的极点，但,'T T 在l ∞上，所以l ∞通过渐近线t 和't 的极点，根据配极原则，渐近线也通过l ∞的极点，而l ∞的极点是二次曲线的中心，即渐近线通过中心，也就是渐近线相交于中心。
