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數(shù)海拾貝

解析幾何之“定比點(diǎn)差法”

2016年01月05日 meiyun 數(shù)海拾貝

編者按 本文作者意琦行,則meiyun編輯整理.

介紹定比點(diǎn)差法之前,先介紹一些解析幾何中的基礎(chǔ)知識:

一、定比分點(diǎn)

AM=λMB,則稱點(diǎn)M為點(diǎn)ABλ定比分點(diǎn).

當(dāng)λ>0時,點(diǎn)M在線段AB上,稱為內(nèi)分點(diǎn);

當(dāng)λ0λ?1)時,點(diǎn)M在線段AB的延長線上,稱為外分點(diǎn).

定比分點(diǎn)坐標(biāo)公式:若點(diǎn)A(x1,y1),B(x2,y2),AM=λMB,則點(diǎn)M的坐標(biāo)為M(x1+λx21+λ,y1+λy21+λ).

二、點(diǎn)差法

若點(diǎn)A(x1,y1),B(x2,y2)在有心二次曲線x2a2±y2b2=1上,則有x21a2±y21b2=1,x22a2±y22b2=1,兩式作差得(x1+x2)(x1?x2)a2±(y1+y2)(y1?y2)b2=0.此即有心二次曲線的垂徑定理,可以解決與弦的中點(diǎn)相關(guān)的問題.


下面介紹定比點(diǎn)差法

若點(diǎn)A(x1,y1),B(x2,y2)在有心二次曲線x2a2±y2b2=1上,則有x21a2±y21b2=1,λ2x22a2±λ2y22b2=λ2,兩式作差得(x1+λx2)(x1?λx2)a2±(y1+λy2)(y1?λy2)b2=1?λ2.這樣就得到了1a2?x1+λx21+λ?x1?λx21?λ±1b2?y1+λy21+λ?y1?λy21?λ=1.


例1 過異于原點(diǎn)的點(diǎn)P(x0,y0)引橢圓x2a2+y2b2=1(a>b>0)的割線PAB,其中點(diǎn)A,B在橢圓上,點(diǎn)M是割線PAB上異于P的一點(diǎn),且滿足AMMB=APPB.求證:點(diǎn)M在直線x0xa2+y0yb2=1上.

證明 直接運(yùn)用定比點(diǎn)差法即可.

設(shè)AP=λPB,則有AM=?λMB,設(shè)A(x1,y1),B(x2,y2),M(xM,yM),則有x0=x1+λx21+λ,y0=y1+λy21+λ.xM=x1?λx21?λ,yM=y1?λy21?λ.又因?yàn)辄c(diǎn)A,B在橢圓上,所以有x21a2+y21b2=1,λ2x22a2+λ2y22b2=λ2,兩式作差得(x1+λx2)(x1?λx2)a2+(y1+λy2)(y1?λy2)b2=1?λ2.兩邊同除以1?λ2,即可得到x0xMa2+y0yMb2=1.命題得證.


練習(xí)1?。?008高考數(shù)學(xué)安徽卷理科)設(shè)橢圓Cx2a2+y2b2=1(a>b>0)過點(diǎn)M(2,1),且焦點(diǎn)為F1(?2,0)

(1)求橢圓的方程;

(2)過點(diǎn)P(4,1)的動直線l與橢圓C相交于不同點(diǎn)A,B時,在線段AB上取點(diǎn)Q,滿足|AP|?|QB|=|AQ|?|PB|,證明:點(diǎn)Q總在某定直線上.

答案?。?)x24+y22=1;(2)點(diǎn)Q在直線2x+y?2=0上.


例2 已知橢圓x29+y24=1,過定點(diǎn)P(0,3)的直線與橢圓交于兩點(diǎn)A,BA,B可以重合),求PAPB的取值范圍.

 設(shè)A(x1,y1),B(x2,y2)AP=λPB,則PAPB=?λ

于是P(x1+λx21+λ,y1+λy21+λ)=(0,3),于是x1+λx2=0,y1+λy2=3(1+λ).又因?yàn)辄c(diǎn)A,B在橢圓上,所以有x219+y214=1,λ2x229+λ2y224=λ2,兩式相減得(x1+λx2)(x1?λx2)9+(y1+λy2)(y1?λy2)4=1?λ2.將(1)代入(2)中得到y1?λy2=43(1?λ).由(1)(3)解得y1=3(1+λ)+43(1?λ)2=136+56λ[?2,2].從而解得λ的取值范圍為[?5,?15],于是PAPB的取值范圍為[15,5]. 


練習(xí)2 設(shè)D(0,16),M,N是橢圓x225+y216=1上的兩個動點(diǎn)(可以重合),且DM=λDN,求實(shí)數(shù)λ的取值范圍.

答案 [35,53]


例3 設(shè)F1(?c,0)、F2(c,0)為橢圓x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左、右焦點(diǎn),P為橢圓上任意一點(diǎn),直線PF1,PF2分別交橢圓于異于P的點(diǎn)AB,若PF1=λF1A,PF2=μF2B,求證:λ+μ=2?a2+c2a2?c2

證明 設(shè)P(x0,y0),A(x1,y1)B(x2,y2),則F1(x0+λx11+λ,y0+λy11+λ),F2(x0+μx21+μ,y0+μy21+μ).于是有x0+λx1=?(1+λ)c,y0+λy1=0;x0+μx2=(1+μ)c,y0+μy2=0.又由點(diǎn)P,A在橢圓上得到x20a2+y20b2=1,λ2x21a2+λ2y21b2=λ2,兩式相減得(x0+λx1)(x0?λx1)a2+(y0+λy1)(y0?λy1)b2=1?λ2.從而有x0?λx1=a2c(λ?1).結(jié)合(4)式可解得2x0=a2c(λ?1)?c(1+λ).同理可得x0?μx2=a2c(1?μ).結(jié)合(5)式得到2x0=a2c(1?μ)+c(1+μ).于是有a2c(λ?1)?c(1+λ)=a2c(1?μ)+c(1+μ).整理得λ+μ=2?a2+c2a2?c2,命題得證.


練習(xí)3 已知過橢圓x22+y2=1的左焦點(diǎn)F的直線交橢圓于A,B兩點(diǎn),且有FA=3BF,求點(diǎn)A的坐標(biāo).

答案 A(0,±1)

定比點(diǎn)差法實(shí)際上是直線的參數(shù)方程的變異形式,只不過將其中的t變作了λ,也就是說只要是共線點(diǎn)列的問題都可以在考慮運(yùn)用直線的參數(shù)方程的同時考慮定比點(diǎn)差法.定比點(diǎn)差法在處理圓錐曲線上過定點(diǎn)的直線的證明題時往往可以起到簡化運(yùn)算的作用.但定比點(diǎn)差法無法應(yīng)用于拋物線,并且它采用的參數(shù)λ在解析幾何問題中并不通用,在求解具體的斜率、弦長與面積時往往會引起運(yùn)算上的麻煩(當(dāng)然,求坐標(biāo)還是很簡便的),所以并不是所有的共線問題都適用用定比點(diǎn)差法解決.

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“數(shù)海拾貝”由中國最頂尖的高中數(shù)學(xué)教研老師蘭琦和金葉梅主編。第一個欄目《每日一題》,每天精選一道高中數(shù)學(xué)好題,從破題的思路,圖文并茂的講解到精辟到位的總結(jié),同學(xué)們每天只要花上10分鐘認(rèn)真閱讀和思考,一定能在兩三個月獲得明顯的進(jìn)步,在高考中取得好成績。

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