网站首页  词典首页

请输入您要查询的论文:

 

标题 穿行于特殊与一般的丛林中
范文

    雷小华+

    近期笔者在高三数学复习中讲解一道高考题(见例题回放)时,堂上偶然发现结论中的定点即为曲线的焦点这一特性后,即兴要求同学们课后共同对该特性作一般性探讨.第二天陆续有同学对这一特性给出了一般性的证明.我也没闲着,在师生共同努力下,探究到解析几何中圆锥曲线具有的一类数学规律,兴奋之余,乘兴作文,以供读者批评指正.

    1. 例题回放

    [例1]如图,等边三角形OAB的边长为8■,且其三个顶点均在抛物线E:x2=2py(p>0)上.

    (1)求抛物线E的方程;

    (2)设动直线l与抛物线E相切于点P,与直线y=-1相交于点Q.证明以PQ为直径的圆恒过y轴上某定点.

    [简解](1) 抛物线E的方程为x2=4y.

    (2)证明:由(1)知y=■x2,y′=■x.

    设P(x0, y0),则x0≠0,y0=■x0 2,且l的方程为y-y0=■x0 (x-x0),即y=■x0x-■x0 2 .

    由y=■x0x-■x0 2,y=-1,得x=■,y=-1,所以Q为■,-1 .设M(0,y1),令■·■=0对满足y0=■x0 2 (x0≠0)的x0,y0恒成立.故■-y0-y0y1+y1+y1 2 =0,即(y1 2 +y1-2)+(1-y1)y0=0.(?葚 )

    由于(?葚)式对满足y0=■x0 2 (x0≠0)的y0恒成立,所以1-y1=0,y1 2 +y1-2=0,解得y1=1.

    故以PQ为直径的圆恒过y轴上的定点 M(0, 1). 这一定点M(0, 1)为抛物线的焦点.

    2. 思考探究

    (1)任给一抛物线在同样作法下是否也过抛物线的焦点?

    (2)是否椭圆、双曲线也有类似一般的结论?

    (3)结论能否再引伸?

    3. 从特殊到一般

    针对以上问题,经过师生共同探讨分析,得出以下结论:

    (1)结论一

    定理1:抛物线E:x2=2py(p>0)上动直线l与抛物线E相切于点P(除顶点外),与其准线相交于点Q,则以PQ为直径的圆恒过E的焦点F.如图.

    证明:由E:x2=2py,得y=■,故y′=■.

    设P (x0, y0),则x0≠0,y0=■,且l的方程为y-y0=■(x-x0),即y=■x-■.

    曲线E的准线方程为:y=-■, 由y=■x-■,y=-■,得

    x=■,y=-■,

    所以Q为■,-■.

    又F0,■,下证■·■=0对满足y0=■(x0≠0)的x0,y0恒成立即可.

    由于■=x0, y0-■,■=■, -p,

    故■·■=x0, y0-■·■, -p

    =■-py0 +■.

    由于y0=■,故■·■=■-■+■=0恒成立,

    即■⊥■,即FP⊥FQ,

    即以PQ为直径的圆恒过E的焦点F.

    类似性质在椭圆中也成立.

    定理2:若椭圆E:■+■=1(a>b>0)上任一点P(除左右顶点外)处的切线与其右准线相交于点Q,则以PQ为直径的圆恒过E相对应的右焦点F2.如图.

    证 明:设 P (x0, y0),x0≠0,则P点处的切线PQ的方程为■+■=1(证明略).

    曲线E的右准线方程为:x=■, 由■+■=1,x=■,得x=■,y=■■,

    所以Q为■, ■■.

    又右焦点F2(c, 0),下证■·■=0恒成立即可.

    由于■=(x0-c, y0),■=■-c, ■■,

    故■·■=(x0-c, y0)·■-c, ■■

    =(x0-c)■-c+y0·■■

    =x0■-cx0-a2+c2+b2-x0■

    =cx0-cx0-a2+c2+b2

    =0(椭圆中a2=c2+b2),

    即■·■=0恒成立,即■⊥■,即F2P⊥F2Q,

    故以PQ为直径的圆恒过E的右焦点F2.

    同理可证,以PQ′为直径的圆恒过E的左焦点F1.

    类似性质在双曲线中也成立.

    定理3:若双曲线E:■-■=1(a>0, b>0)上任一点P(除左右顶点外)处的切线与其右准线相交于点Q,则以PQ为直径的圆恒过E相对应的右焦点F2.如图.

    证明:设P (x0, y0),x0≠0,则P点处的切线PQ的方程为■-■=1(证明略).

    曲线E的右准线方程为:x=■, 由■-■=1,x=■,得

    x=■,y=■■,

    所以Q为■, ■■.

    又右焦点F2(c, 0),下证■·■=0恒成立即可.

    由于■=(x0-c, y0),■=■-c, ■■,

    故■·■=(x0-c, y0)·■-c, ■■=(x0-c)■-c+y0·■■=x0■-cx0-a2+c2+x0■-b2

    =cx0-cx0-a2+c2-b2

    =0(双曲线中c2=a2+b2),

    即■·■=0恒成立,即■⊥■,即F2P⊥F2Q,

    故以PQ为直径的圆恒过E的右焦点F2.

    同理可证,以PQ′为直径的圆恒过E的左焦点F1.

    (2)结论二

    若把上述定理中的题设与结论适当交换,则又有以下推论(推论证明略).

    推论1:F为抛物线E:x2=2py(p>0)的焦点,Q为准线上的任一点,P为抛物线上的一点,若PF⊥QF,则直线PQ与抛物线E相切于点P.

    推论2:F2为椭圆E:■+■=1(a>b>0)的右焦点,Q为右准线上的任一点,P为椭圆上的一点,若PF2⊥QF2,则直线PQ与椭圆E相切于点P.

    推论3:F2为双曲线E:■-■=1(a>0, b>0)的右焦点,Q为右准线上的任一点,P为双曲线上的一点,若PF2⊥QF2,则直线PQ与双曲线E相切于点P.

    推论4:F为抛物线E:x2=2py(p>0)的焦点,P为抛物线上的一点(除顶点外),直线PQ与抛物线E相切于点P,若PF⊥QF,则点Q必为准线上的一点.

    推论5:F2为椭圆E:■+■=1(a>b>0)的右焦点,P为椭圆上的任一点(除去所作切线与准线平行的顶点外),直线PQ与椭圆E相切于点P. 若PF2⊥QF2,则点Q必为右准线上的一点(椭圆的左侧也有类似相应的结论).

    推论6:F2为双曲线E:■-■=1(a>0, b>0)的右焦点, P为双曲线上的任一点(除去所作切线与准线平行的顶点外),直线PQ与双曲线E相切于点P,若PF2⊥QF2,则点Q必为右准线上的一点(双曲线的左侧也有类似相应的结论).

    (3)结论三

    在定理1、2、3的基础上,不难发现圆锥曲线具有以下一般性质(仅证性质2).

    性质1:从抛物线E:x2=2py(p>0)的准线上任一点Q向E分别作两切线QP、QR,P、Q为切点,则直线PR恒过E的焦点F. 如图.

    性质2:从椭圆E:■+■=1(a>b>0)的右准线上任一点M向E分别作两切线MA、MB,A、B为切点.则直线AB恒过E相对应的右焦点F2(左侧也有类似的性质). 如图.

    性质3:从双曲线E:■-■=1(a>0, b>0)的右准线上任一点M向E分别作两切线MA、MB,A、B为切点.则直线AB恒过E相对应的右焦点F2(左侧也有类似的性质). 如图.

    性质2证明如下,其它类同.

    证明:若直线AB不过E的右焦点,先连接AF2、F2M. 则由定理2可得:∠MF2A=∠MF2B=90°,推出点A、F2、B三点共线. 即直线AB与直线AF2B相同.故直线AB必过E的右焦点(同理可证,左侧也具有相应的性质.证略).

    

    4. 从一般到特殊

    对于这一类圆锥曲线问题,应用上述的定理与推论可快捷解决,如

    [例2]如图,点F1(-c, 0),F2(c, 0)分别是椭圆C: ■+■=1 (a>b>0)的左,右焦点,过点F1作x轴的垂线交椭圆C的上半部分于点P,过点F2作直线PF2的垂线交直线x=■于点Q.

    (1)如果点Q的坐标是(4, 4),求此时椭圆C的方程;

    (2)证明:直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    [简解](1) 椭圆方程为■+■=1.

    (2)证明:法一:由条件,知P(-c, ■).

    故直线PF2的斜率为■=■=-■.

    因为PF2⊥F2Q,所以直线F2Q的方程为y=■x-■.故Q(■, 2a).

    故直线PQ的方程为■=■,即y=■x+a.

    将上式代入■+■=1得x2+2cx+c2=0,解得x=-c,y=■.

    所以直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    法二:由本篇推论2可知,直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    [例3]如图所示,椭圆C:■+■=1(a>b>0)经过点P(1, ■),离心率e=■,直线l的方程为x=4.

    (1)求椭圆C的方程;

    (2)若过右焦点F2的直线g与直线l相交于点M,现过点M作C的切线MA、MB,切点分别为A、B. 问:直线AB是否恒过一定点?若是,求出这一定点;若不是,说明理由.

    [解答] (1)椭圆C的方程为■+■=1.

    (2) 直线l:x=4是椭圆C:■+■=1的右准线,故由定理2可知:∠AF2M=90°;

    同理:∠BF2M=90°. 故A,F2,B三点共线,即直线AB恒过定点F2(1, 0).

    [例4] 如图所示,椭圆C:■+■=1(a>b>0),右焦点F(c, 0),从点M(■, 0)向C作切线MA、MB,切点分别为A、B. 若?驻ABM为正三角形,试求椭圆C的离心率e.

    [解答] 因为点M(■, 0)为右准线与x轴的交点,故由性质2可知:直线AB过椭圆C的右焦点F(c, 0).

    |F2M|=■-c,|F2A|=■,∠AMF2=30°,故tan∠AMF2=■=■=tan30°=■,

    即■×■=■-c,即■×■=■,即■=■,故椭圆C的离心率e=■=■.

    [例5]设抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,点A(0,■), 线段FA的中点在抛物线上. 设动直线l:y=kx+m与抛物线相切于点P,且与抛物线的准线相交于点Q,以PQ为直径的圆记为圆C.

    (1)求p的值;

    (2)试判断圆C与x轴的位置关系;

    (3)在坐标平面上是否存在定点M,使得圆C恒过点M?若存在,求出M的坐标;若不存在,说明理由.

    [解答] (1)利用抛物线的定义得F(■, 0),故线段FA的中点的坐标为(■,■), 代入方程得2p×■=■, 解得p=1.

    (2)由(1)得抛物线的方程为y2=2x,从而抛物线的准线方程为x=-■.

    由y2=2x,y=kx+m, 得方程■y2-y+m=0,

    由直线与抛物线相切,得k≠0,?驻=0?圳k≠0,m=■.

    设y=■,从而x=■,即P (■,■),

    由y=kx+■,x=-■,解得Q(-■, ■),

    ∴ PQ的中点C的坐标为C(■, ■),设圆心C到x轴距离平方d,则d2=(■)2,

    |PQ|2 = (■)2+(■)2,

    ∵ (■|PQ|)2 -d2=■[(■)2+(■)2]-(■)2=(■)2.

    ∵ k≠0,∴ 当k=±■时, (■|PQ|)2 -d2=0, 圆C与x轴相切;

    当k≠±■时, (■|PQ|)2 -d2>0,圆C与x轴相交.

    (3)方法一:

    假设平面内存在定点M满足条件,由抛物线对称性知点M在x轴上,设点M坐标为M(x1, 0),由(2)知P(■, ■),Q(-■,■),

    ∴■=(■-x1, ■),■=(-■-x1, ■).

    由 ■·■=0 ,得 (■-x1)(-■-x1)+■×■=0.

    所以x1 2-■x1+■=0,即x1=■或x1=■,

    所以平面上存在定点M(■, 0),使得圆C恒过点M.

    方法二:

    由(2)知 P(■, ■),Q(-■,■),PQ的中点C的坐标为(■, ■),|PQ|2 = (■)2+(■)2,所以圆C的方程为(x-■)2+(y-■)2=■[(■)2+(■)2],整理得x2+■x+y2-■+■(■-x)-(■)y=0, 上式对任意 k≠0均成立,

    当且仅当x2+■x+y2-■=0,■-x=0,y=0, 解得x=■,y=0.

    方法三:由前面定理1易知,在平面上存在定点M(■, 0)(即抛物线的焦点F),使得圆C恒过点M.

    5. 总结升华

    特殊与一般是中学数学的一种重要的数学思想.在解决问题时,以特殊问题为起点,逐步分析、比较、讨论,层层深入,揭示规律,并由此推广到一般.从解决特殊问题的过程中,寻求解决一般问题的方法和规律.在运动变化过程中加深对数学问题的认识和理解,直至完美认识.

    本篇内容穿行于特殊与一般的思想中,彼此照应.开始从特殊中窥见一般,最后又用一般为特殊服务.在特殊与一般中相互促进,在穿行来回中得到升华,乐此不疲,美哉,快哉!

    (作者单位:江门市新会华侨中学)

    责任编校 徐国坚

    

    4. 从一般到特殊

    对于这一类圆锥曲线问题,应用上述的定理与推论可快捷解决,如

    [例2]如图,点F1(-c, 0),F2(c, 0)分别是椭圆C: ■+■=1 (a>b>0)的左,右焦点,过点F1作x轴的垂线交椭圆C的上半部分于点P,过点F2作直线PF2的垂线交直线x=■于点Q.

    (1)如果点Q的坐标是(4, 4),求此时椭圆C的方程;

    (2)证明:直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    [简解](1) 椭圆方程为■+■=1.

    (2)证明:法一:由条件,知P(-c, ■).

    故直线PF2的斜率为■=■=-■.

    因为PF2⊥F2Q,所以直线F2Q的方程为y=■x-■.故Q(■, 2a).

    故直线PQ的方程为■=■,即y=■x+a.

    将上式代入■+■=1得x2+2cx+c2=0,解得x=-c,y=■.

    所以直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    法二:由本篇推论2可知,直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    [例3]如图所示,椭圆C:■+■=1(a>b>0)经过点P(1, ■),离心率e=■,直线l的方程为x=4.

    (1)求椭圆C的方程;

    (2)若过右焦点F2的直线g与直线l相交于点M,现过点M作C的切线MA、MB,切点分别为A、B. 问:直线AB是否恒过一定点?若是,求出这一定点;若不是,说明理由.

    [解答] (1)椭圆C的方程为■+■=1.

    (2) 直线l:x=4是椭圆C:■+■=1的右准线,故由定理2可知:∠AF2M=90°;

    同理:∠BF2M=90°. 故A,F2,B三点共线,即直线AB恒过定点F2(1, 0).

    [例4] 如图所示,椭圆C:■+■=1(a>b>0),右焦点F(c, 0),从点M(■, 0)向C作切线MA、MB,切点分别为A、B. 若?驻ABM为正三角形,试求椭圆C的离心率e.

    [解答] 因为点M(■, 0)为右准线与x轴的交点,故由性质2可知:直线AB过椭圆C的右焦点F(c, 0).

    |F2M|=■-c,|F2A|=■,∠AMF2=30°,故tan∠AMF2=■=■=tan30°=■,

    即■×■=■-c,即■×■=■,即■=■,故椭圆C的离心率e=■=■.

    [例5]设抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,点A(0,■), 线段FA的中点在抛物线上. 设动直线l:y=kx+m与抛物线相切于点P,且与抛物线的准线相交于点Q,以PQ为直径的圆记为圆C.

    (1)求p的值;

    (2)试判断圆C与x轴的位置关系;

    (3)在坐标平面上是否存在定点M,使得圆C恒过点M?若存在,求出M的坐标;若不存在,说明理由.

    [解答] (1)利用抛物线的定义得F(■, 0),故线段FA的中点的坐标为(■,■), 代入方程得2p×■=■, 解得p=1.

    (2)由(1)得抛物线的方程为y2=2x,从而抛物线的准线方程为x=-■.

    由y2=2x,y=kx+m, 得方程■y2-y+m=0,

    由直线与抛物线相切,得k≠0,?驻=0?圳k≠0,m=■.

    设y=■,从而x=■,即P (■,■),

    由y=kx+■,x=-■,解得Q(-■, ■),

    ∴ PQ的中点C的坐标为C(■, ■),设圆心C到x轴距离平方d,则d2=(■)2,

    |PQ|2 = (■)2+(■)2,

    ∵ (■|PQ|)2 -d2=■[(■)2+(■)2]-(■)2=(■)2.

    ∵ k≠0,∴ 当k=±■时, (■|PQ|)2 -d2=0, 圆C与x轴相切;

    当k≠±■时, (■|PQ|)2 -d2>0,圆C与x轴相交.

    (3)方法一:

    假设平面内存在定点M满足条件,由抛物线对称性知点M在x轴上,设点M坐标为M(x1, 0),由(2)知P(■, ■),Q(-■,■),

    ∴■=(■-x1, ■),■=(-■-x1, ■).

    由 ■·■=0 ,得 (■-x1)(-■-x1)+■×■=0.

    所以x1 2-■x1+■=0,即x1=■或x1=■,

    所以平面上存在定点M(■, 0),使得圆C恒过点M.

    方法二:

    由(2)知 P(■, ■),Q(-■,■),PQ的中点C的坐标为(■, ■),|PQ|2 = (■)2+(■)2,所以圆C的方程为(x-■)2+(y-■)2=■[(■)2+(■)2],整理得x2+■x+y2-■+■(■-x)-(■)y=0, 上式对任意 k≠0均成立,

    当且仅当x2+■x+y2-■=0,■-x=0,y=0, 解得x=■,y=0.

    方法三:由前面定理1易知,在平面上存在定点M(■, 0)(即抛物线的焦点F),使得圆C恒过点M.

    5. 总结升华

    特殊与一般是中学数学的一种重要的数学思想.在解决问题时,以特殊问题为起点,逐步分析、比较、讨论,层层深入,揭示规律,并由此推广到一般.从解决特殊问题的过程中,寻求解决一般问题的方法和规律.在运动变化过程中加深对数学问题的认识和理解,直至完美认识.

    本篇内容穿行于特殊与一般的思想中,彼此照应.开始从特殊中窥见一般,最后又用一般为特殊服务.在特殊与一般中相互促进,在穿行来回中得到升华,乐此不疲,美哉,快哉!

    (作者单位:江门市新会华侨中学)

    责任编校 徐国坚

    

    4. 从一般到特殊

    对于这一类圆锥曲线问题,应用上述的定理与推论可快捷解决,如

    [例2]如图,点F1(-c, 0),F2(c, 0)分别是椭圆C: ■+■=1 (a>b>0)的左,右焦点,过点F1作x轴的垂线交椭圆C的上半部分于点P,过点F2作直线PF2的垂线交直线x=■于点Q.

    (1)如果点Q的坐标是(4, 4),求此时椭圆C的方程;

    (2)证明:直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    [简解](1) 椭圆方程为■+■=1.

    (2)证明:法一:由条件,知P(-c, ■).

    故直线PF2的斜率为■=■=-■.

    因为PF2⊥F2Q,所以直线F2Q的方程为y=■x-■.故Q(■, 2a).

    故直线PQ的方程为■=■,即y=■x+a.

    将上式代入■+■=1得x2+2cx+c2=0,解得x=-c,y=■.

    所以直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    法二:由本篇推论2可知,直线PQ与椭圆C只有一个交点.

    [例3]如图所示,椭圆C:■+■=1(a>b>0)经过点P(1, ■),离心率e=■,直线l的方程为x=4.

    (1)求椭圆C的方程;

    (2)若过右焦点F2的直线g与直线l相交于点M,现过点M作C的切线MA、MB,切点分别为A、B. 问:直线AB是否恒过一定点?若是,求出这一定点;若不是,说明理由.

    [解答] (1)椭圆C的方程为■+■=1.

    (2) 直线l:x=4是椭圆C:■+■=1的右准线,故由定理2可知:∠AF2M=90°;

    同理:∠BF2M=90°. 故A,F2,B三点共线,即直线AB恒过定点F2(1, 0).

    [例4] 如图所示,椭圆C:■+■=1(a>b>0),右焦点F(c, 0),从点M(■, 0)向C作切线MA、MB,切点分别为A、B. 若?驻ABM为正三角形,试求椭圆C的离心率e.

    [解答] 因为点M(■, 0)为右准线与x轴的交点,故由性质2可知:直线AB过椭圆C的右焦点F(c, 0).

    |F2M|=■-c,|F2A|=■,∠AMF2=30°,故tan∠AMF2=■=■=tan30°=■,

    即■×■=■-c,即■×■=■,即■=■,故椭圆C的离心率e=■=■.

    [例5]设抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,点A(0,■), 线段FA的中点在抛物线上. 设动直线l:y=kx+m与抛物线相切于点P,且与抛物线的准线相交于点Q,以PQ为直径的圆记为圆C.

    (1)求p的值;

    (2)试判断圆C与x轴的位置关系;

    (3)在坐标平面上是否存在定点M,使得圆C恒过点M?若存在,求出M的坐标;若不存在,说明理由.

    [解答] (1)利用抛物线的定义得F(■, 0),故线段FA的中点的坐标为(■,■), 代入方程得2p×■=■, 解得p=1.

    (2)由(1)得抛物线的方程为y2=2x,从而抛物线的准线方程为x=-■.

    由y2=2x,y=kx+m, 得方程■y2-y+m=0,

    由直线与抛物线相切,得k≠0,?驻=0?圳k≠0,m=■.

    设y=■,从而x=■,即P (■,■),

    由y=kx+■,x=-■,解得Q(-■, ■),

    ∴ PQ的中点C的坐标为C(■, ■),设圆心C到x轴距离平方d,则d2=(■)2,

    |PQ|2 = (■)2+(■)2,

    ∵ (■|PQ|)2 -d2=■[(■)2+(■)2]-(■)2=(■)2.

    ∵ k≠0,∴ 当k=±■时, (■|PQ|)2 -d2=0, 圆C与x轴相切;

    当k≠±■时, (■|PQ|)2 -d2>0,圆C与x轴相交.

    (3)方法一:

    假设平面内存在定点M满足条件,由抛物线对称性知点M在x轴上,设点M坐标为M(x1, 0),由(2)知P(■, ■),Q(-■,■),

    ∴■=(■-x1, ■),■=(-■-x1, ■).

    由 ■·■=0 ,得 (■-x1)(-■-x1)+■×■=0.

    所以x1 2-■x1+■=0,即x1=■或x1=■,

    所以平面上存在定点M(■, 0),使得圆C恒过点M.

    方法二:

    由(2)知 P(■, ■),Q(-■,■),PQ的中点C的坐标为(■, ■),|PQ|2 = (■)2+(■)2,所以圆C的方程为(x-■)2+(y-■)2=■[(■)2+(■)2],整理得x2+■x+y2-■+■(■-x)-(■)y=0, 上式对任意 k≠0均成立,

    当且仅当x2+■x+y2-■=0,■-x=0,y=0, 解得x=■,y=0.

    方法三:由前面定理1易知,在平面上存在定点M(■, 0)(即抛物线的焦点F),使得圆C恒过点M.

    5. 总结升华

    特殊与一般是中学数学的一种重要的数学思想.在解决问题时,以特殊问题为起点,逐步分析、比较、讨论,层层深入,揭示规律,并由此推广到一般.从解决特殊问题的过程中,寻求解决一般问题的方法和规律.在运动变化过程中加深对数学问题的认识和理解,直至完美认识.

    本篇内容穿行于特殊与一般的思想中,彼此照应.开始从特殊中窥见一般,最后又用一般为特殊服务.在特殊与一般中相互促进,在穿行来回中得到升华,乐此不疲,美哉,快哉!

    (作者单位:江门市新会华侨中学)

    责任编校 徐国坚

    

随便看

 

科学优质学术资源、百科知识分享平台,免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。

 

Copyright © 2004-2023 puapp.net All Rights Reserved
更新时间:2025/5/23 4:08:16