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本文发表于《数学通讯》2010年第4期
邮箱:wfzy2008@126.com 电话圆锥曲线中与中点有关问题的一般解法
湖南省冷水江市第六中学(417500) 章勇
圆锥曲线中与中点有关的问题一般可用“点差法”来解决,它可减少计算,达到简化运算的目的。本文旨在“点差法”的基础上,推导出此类问题更一般的结论和方法。
由“点差法”我们可得如下结论:
1.椭圆内一点,则以为中点的弦所在的直线方程为:;
2.双曲线内一点,则以为中点的弦所在的直线方程为:;
3.抛物线内一点,则以为中点的弦所在的直线方程为:.
下面以椭圆为例进行证明, 其它两个结论请自行证明.
证明: 设过点()且被P平分的弦两端点为
在椭圆上, 从而有
,
两式相减得
整理得 即
所以, 以P为中点的弦的直线方程为:
整理即得()
当
故, 以为中点的弦所在的直线方程为:;
上述结论中, 直线方程结构优美, 便于记忆, 使用方便。应用它解决与中点有关的圆锥曲线问题快捷准确。下面举例说明它们的应用。
求以定点为中点的弦的所在的直线方程
例1、过椭圆内一点引一条弦,使弦被点平分,求这条弦所在直线的方程。
解:由结论1,即可得以为中点的弦所在直线方程为:
整理得所求直线方程:
例2、已知双曲线,经过点能否作一条直线,使与双曲线交于、,且点是线段的中点。若存在这样的直线,求出它的方程,若不存在,说明理由。
解:假设存在这样的直线,
由结论2得,以为中点的弦的直线方程为:
,
即 , 代入双曲线方程并整理得,
这说明直线与双曲线不相交,故被点平分的弦不存在,即不存在这样的直线。
注意:本题如果忽视对判别式的考察,将得出错误的结果,请务必小心。由此题可看到中点弦问题中判断点的位置非常重要。(1)若中点在圆锥曲线内,则被点平分的弦一般存在;(2)若中点在圆锥曲线外,则被点平分的弦可能不存在,必须对直线的存在性进行验证。
二、求过定点的弦或平行弦的中点的轨迹方程
例3.直线绕定点转动,且与双曲线相交,求相交弦中点的轨迹方程。
解:设相交弦中点坐标为,由结论2得弦所在直线方程为:
例4.已知椭圆,求斜率为2的平行弦中点的轨迹方程。
解:设平行弦中点坐标为,由结论2得,以为中点的弦的直线方程为:
其斜率
由已知有, 即
所以所求平行弦中点轨迹方程:(在椭圆内的部分)。
三、求与中点有关的圆锥曲线方程
例5.已知椭圆的一条准线方程是,有一条倾斜角为的直线交椭圆于A、B两点,若AB的中点为,求椭圆的方程。
解:由结论1得,以为中点的弦AB的方程为:
,
由已知, 从而 ,即①
又②, ③
由①②③得
故所求椭圆方程为:
四、求圆锥曲线上两点关于某直线对称的问题
例6、已知椭圆,试确定的取值范围,使得对于直线:,椭圆上总有不同的两点关于该直线对称。
解:设A、B为椭圆上关于直线:的对称两点,为弦AB的中点,则直线AB的方程为:
①
又点在直线,有②
由①②得,
显然点在椭圆内,从而有
解得:
五、证明与中点有关的定值问题
例7.已知AB是不垂直于x轴的任意一条弦,P是AB的中点,O为椭圆中心,
求证:直线AB和直线OP的斜率之积为定值。
证明:设P点的坐标为,则直线AB方程为:
又
所以
从以上几例我们体会到,利用本文所提出的结论求解圆锥曲线中点弦问题的一般方法是:先根据结论写出中点弦直线方程,再根据具体题目涉及到的条件(如将定点代入中点弦直线方程或由中点弦直线方程求得斜率等)推得所需的结论。此方法简捷明快,结构精巧,很好地体现了数学美,而且应用特征明显,是训练思维、熏陶数学情感的一个很好的材料,利于培养学生的解题能力和解题兴趣。
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