二次曲线中点弦_切线_切点弦及双切线方程

2009年第8期7

二次曲线中点弦、切线、切点弦及双切线方程

胡圣团

(湖南省澧县一中,415500)

  (本讲适合高中)1 知识简介

x0y+xy0

Ax0x+B+Cy0y+

2

记G(x,y)=Ax+Bxy+Cy+Dx+Ey+F.

1.1 二次曲线中点弦的方程

设Pi(xi,yi)(i=1,2)是曲线G(x,y)=0的弦P1P2的两个端点,P0(x0,y0)是弦P1P2的中点.则

22

Ax1+Bx1y1+Cy1+Dx1+Ey1+F0,2

A(2x0-x1)+010y1)2

C(2y0-y)(1)E(2y0-y1+=0.②①-②可得

(2Ax0+By0+D)(x0-x1)+(2Cy0+Bx0+E)(y0-y1)=0.

因为(x0-x1,y0-y1)是弦P1P2的方向向量,所以,(2Ax0+By0+D,2Cy0+Bx0+E)是弦P1P2的法向量.因此,弦P1P2的方程是

(2

A

x0+By0+D)(x0-x)+(2Cy0+Bx0+E)(y0-y)=0.为记忆方便,上述方程可整理为

x0y+xy0

Ax0x+B+Cy0y+

2

x0+xy0+yD+E+F

2222

=Ax0+Bx0y0+Cy0+Dx0+Ey0+F.1.2 二次曲线的切线方程

当曲线G(x,y)=0的弦P1P2的两个端点Pi(xi,yi)(i=1,2)重合时,Pi(xi,yi)(i=0,1,2)三点重合于曲线上一点P0(x0,y0),直线P1P2就是曲线G(x,y)=0在点P0处的切线.由于P0(x0,y0)在曲线上,于是,

22

Ax0+Bx0y0+Cy0+Dx0+Ey0+F=0.故曲线G(x,y)=0在其上一点P0(x0,y0)处的切线方程是

  收稿日期:2008-12-11 修回日期:2009-04-14

22

x+xy+y

D+E+F=0.

22

1.3 二次曲线的切点弦方程

设从点P0(x0,y0)G(x,y)=0的两条切线xi,yi)(i=1,2).ixi,iii

i+Cyiy+

2

xi+xyi+yD+E+F=0(i=1,2).

22

因点P0(x0,y0)在上述两切线上,所以,

xiy0+x0yi

Axix0+B+Cyiy0+

2

x+xy+yD+E+F=0(i=1,2).

22

以上两式说明,点Pi(xi,yi)(i=1,2)都在以下直线上:

x0y+xy0

Ax0x+B+Cy0y+

2

x0+xy0+yD+E+F=0.①

22

因此,从点P0(x0,y0)引曲线G(x,y)=0的两条切线所得切点弦的方程为式①.1.4 双切线方程

从二次曲线外一点引曲线的两条切线,称为该点关于该曲线的双切线.把切点弦看成双重合直线,则双切线就是过该双重合直线与二次曲线公共点的相交双直线.因而,可用二次曲线方程和切点弦方程表示为

22

Ax+Bxy+Cy+Dx+Ey+F+

xy+xyAx0x+B+Cy0y+

2

2

x+xy+yD+E+F=0(≠0).

22

把双切线交点P0(x0,y0)代入上述方程

8中等数学

可以确定,进而求出双切线方程.2 

四种方程的应用

例1 如图1,P是抛物

2

线y=2x上的动点,点B、C在y轴上,圆

22

(x-1)+y=1内切于△PBC.求△PBC面积的最小值.

图1

(2008,全国高中数学联赛)

讲解:由抛物线的对称性,不妨设

2

P(2t,2t)(t>0).

22

yx0,,切点弦MN22

2tx+2tyx2t)=0,22

即 (2t-1)x+2ty-2t=0.

故双切线PB、PC就是通过二重直线

222

[(2t-1)x+2ty-2t]=0

与圆的所有公共点的二次曲线,其方程为

22222

(x-1)+y-1+[(2t-1)x+2ty-2t]=0.

把点P

的坐标代入上式得=-4.于

4t

是,双切线PB、PC的方程可以写成

22222

(x-1)+y-1-4[(2t-1)x+2ty-2t]=0.

4t

在上式中令x=0,得

y=y-1或y=1-y.

t

t

因此,所求最小值是8.注:题中M、N、B、C的位置都依赖点P的位置,而点P的位置只需一个自由变量即可描述,于是,可把这种解析几何最值问题转化为函数最值问题.另外,借切点弦方程,用双切线方程求点B、C的坐标能起到减少解题环节的作用.

例2

 如图2,过直线l:5x-7y-70=0上的点P作椭圆

2

25

+

2

9

=1

的切线PM、PN,为,2

)P在直线l上运动时,证明:直

因为当t=1时,只有一条切线PB和轴

22

相交,当01.

于是,yB,yC=,1+t1-t

2

BC=-.

1+t1-tt2-1

2

线MN恒过定点Q;

(2)当MN∥l时,定点Q平分线段MN.(2008,湖南省高中数学竞赛)讲解:(1)在直线l上任取一点P(7t+7,5t-5),

故P关于椭圆的切点弦MN的方程为

・x・y-1=0259

Ζx+tx-y-1=0.

259259x+y=0,259x-y-1=0.

259

解方程组得x=,y=-.

1410

,-因此,直线MN恒过定点.

14(2)注意到

(-7)Ζt.MN∥lΖ=5∶

259533

当t时,MN的方程为533=0.35

2

故S△PBC=BC|xP|=2・2t

22t-14

22=2+(t-1)2≥8.

t-t-1

5x-7y-

当且仅当t=2时,上式等号成立.故点Q关于椭圆的中点弦方程为

2009年第8期9

2

-xy251492514即 5x-7y-=0.35

9-,2

所以,Q也是MN的中点,即定点Q平分线段MN.

注:从曲线的含变化参数的方程(实际上就是曲线系方程)求出曲线上的定点,是证明曲线过定点的常规方法.由于本题中的切点弦MN只依赖点P的位置,因此,使用切点弦方程正是时机.证明点Q平分线段MN实际上是使用了同一法,同时也发挥了中点弦方程的作用.

2

例3 已知抛物线y=-x+bx+c与抛

2

物线y=x相切.求该抛物线顶点的几何位置.

(第17讲解:x1y1则y+yx+x

=-x1x+b+c,22y1+y

=x1x.2

因为两抛物线相切,所以,它们在切点处有相同的切线.因而,上述两方程相同,有

-x1+

bx1

样运动,都有AQP=BQP?证明你的结论.

(2007,)讲解:(1)由A=(>0),知A、P、B三点共线,且点P在A、B之间.

设M(x0,y0).则切点弦AB的方程为x0x=2(y0+y).①把点P的坐标代入方程①得y0=-8.因此,点M的纵坐标为定值-8.

(2)检查特殊点M(0,-8)是否可以作为点Q.

方程①可以写成y=x0x+8,代入抛物

2

22

线=4x-2x-=0.

BB-32.

y+8y+8

故kBM+kAMxB

xA

xB

2

=

+8

xB

xA

2

+

+8

xA

xB

2

=

-

xAxBxA

2

xB

+

-

xAxB

xA

=0.

2

=x1,

2

+c=0.

bx1

2

由此可得x1=

,c=-=-.

428

2

于是,抛物线y=-x+bxc

写成y=-x+bx-

2

2

8

.故顶点为

2

,.

2

8

例4 如图3,已知

2

抛物线x=4y及定点P(0,8),A、B上的两动点,且A=(>0).过A、B

两点分别作抛物线的切线,设其

交点为M.

图3

(1)证明:点M的纵坐标为定值;

(2)是否存在定点Q,使得无论AB怎

所以,直线AM、BM关于y轴对称.因此,点M是符合条件的点Q.例5 如图4,AB为一椭圆的长轴,O为中心,F为焦点,P为椭圆上的一点,CD为通过O的弦且平行于过P的切线,直线PF与CD(或其延长线)图4交于点Q.证明

或否定PQ=OA=OB.

讲解:设椭圆方程为

2+2=1(a>b>0).ab

).则过点P的椭圆的设P(acosθ,bsinθ

2

2

切线方程为

=1,

a

b

即 xbcosθ+yasinθ=ab.

由此可得CD的方程为xbcosθ+yasinθ=0.

10中等数学

记CD的法向量α=(θ),,asinθ

β==(acosθ+c,bsinθ),αβ的夹角记为φ、.又点P到CD的距离为

dP-CDbcosθ+asinθdP-CDdP-CD

2

2

2

2

=2

|α|

,

故PQ|cosφ|

=

|α|・|β|

2

2

β||α・

θ22

|abcosθ+absinθ+bccosθ|

()()θ|a+c

cosθ|

=a=OA=OB.注:“算不离形”,.

例6 如图,设M是椭圆的一条弦UV

2

2

2

2

的中点,过M再作弦AB、CD,设AC、BD分别与UV交于点P、Q.求证:M也图5是线段PQ的中点.

(第24届美国普特南数学竞赛)讲解:设M(x0,y0).则椭圆方程为22

ax+by=c(a、b、cN+),lAB:a1(x-x0)+b1(y-y0)=0,lCD:a2(x-x0)+b2(y-y0)=0,

点M(

x0,y0)关于椭圆的中点弦UV的方程为

22

ax0x+by0y=ax0+by0.于是,双直线AC、BD的方程可以设为

22

(ax+by-c)+[a1(x-x0)+b1(y-y0)]・[a2(x-x0)+b2(y-y0)]=0(≠0),

22

即 (a1a2+a)x+(b1b2+b)y+(a1b2+a2b1)xy-[(a1b2+a2b1)y0+2a1a2x0]x-[(a1b2+a2b1)x0+2b1b2y0]y+

22

a1a2x0+b1b2y0+(a1b2+a2b1)x0

y0-c=0.点M(x0,y0)关于双直线AC、BD(也是

二次曲线)的中点弦的方程为

(a1a2+a)x0x+(b1b2+b)y0y+

x0y+y0x

(a1b2+a2b1)-2

x+x

[(a1b2+a2b1)y0+2a1a2x0-2

y0+y

[(a1b

2+a2b1)x0+2b1b2y02

22

=(a1a2+a)x0+(b1b2+b)y0+(a1b2+a2b1)x0y0-[(a1b2+a2b1)y0+2a1a2x0]x0-[(a1b2+a2b1)

x0+2b1b2y0]y0,

22

即 ax0x+by0y=ax0by0.

2

,ax0x0y0+by0.

,点(x0AC、()的中点弦仍然在直线UV.因而,M也是线段PQ的中点.

注:中点弦方程不仅适用于圆锥曲线,

也适用于退化的二次曲线.另外,该证明实际上已经证明了M也是线段P′Q′的中点,其中,P′、Q′分别是弦AD、BC与弦UV的交点.

例7 如图6,段数有限的折线内接于抛物线,其始点与抛物线的顶点重合,折线中任意共顶点的两线段与抛物线在该点处的切线

图6都成等角.证明:这

样的折线只能位于抛物线对称轴的一侧.

(第22届全苏数学奥林匹克)

2

讲解:不妨设抛物线为y=ax(a>0).

2

依次取折线上三个相邻的顶点Ai(xi,axi)(i=n,n+1,n+2,nN).

由抛物线在点An+1处的切线方程(或求导数)可知其斜率

k=2axn+1,

22

a(xn-xn+1)

k1=kAnAn+1=a(xn+xn+1),

xn-xn+122

a(xn-xn)

k2=kAn+1An+2==a(xn+2+xn+1).

xn+2-xn+1

因为AnAn+1、An+1An+2与抛物线在点

2009年第8期11

An+1处的切线夹角相等,所以,

k-kk-k1+k1k

Ζ

1+kk2

a(xn-xn+1)

=

2

1+2axn+1(xn+xn+1)

a(xn+1-xn+2)

2

1+2axn+1(xn+1+xn+2)

2

Ζ(4a2x2

n+1+1)(xn+1-xn)

2

=(4axnxn+1+1)(xn+2-xn+1)(xn+1-xn).当xn和xn+1同号时,xn+2-xn+1和xn+1-

有相关弦的中点Q(x1,y1)的横坐标相同且都是x0-2.

(2)将点P的相关弦AB的方程代入抛2

物线y=4x,由韦达定理知

2

f(t)=AB=(t+4)(4x0-8-t),

2

(0,4x0-8).其中,t=y1

易知当x0>3时,二次函数f(t)能取到最大值f(2x0-6)=(2x0-2),与此同时,AB能取最大值2x0-2;当2

3.求抛物线方程,x轴、

,并求抛物线的y(1,0).

:0)关于抛物线的切点弦

(0,2)的直线l:2x+y-2=(1,0)、

0.易求得抛物线方程为

2

(2x-y)-4(2x+y)+4=0.

故抛物线的对称轴为10x-5y-6=0,

,顶点为.)252

4.设抛物线y=4ax的两条切线相交成θ角(θ是常量).求角的顶点的轨迹方程.

(提示:设角的顶点为P(x0,y0),切点为

A(at,2at)、B(as,2as),代入切点弦AB的

2

2

2

xn也同号,即当数列{xk}的首项与第二项同

号时,该数列是单调数列.

因此,当折线起于原点时,折线总在抛物线对称轴———y轴的同侧.

注:例7的条件可以减弱,,.

练习题

1.对于椭圆上的点P,设d是从椭圆的

中心到过点P的切线的距离.证明:当P在

2

椭圆上运动时,PF1・PF2d是常数,这里,PF1与PF2是从点P到椭圆的焦点F1与F2的距离.

(第37届美国普特南数学竞赛)

222222

(提示:由椭圆方程bx+ay=ab(a>b>0)及切线方程,利用点到直线的距

2

离公式、两点间距离公式知PF1・PF2d=

ab(定值).)

2

2

方程y0y=2a(x0+x).

所以,t、s是关于u的一元二次方程au

-y0u+x0=0的两个根.由韦达定理有

t+s=

y0a,ts=

x0a.

2

2.若A、B是抛物线y=4x上不同的两

2

2

点,弦AB(不平行于y轴)的垂直平分线与x轴交于点P,则称弦AB是点P的一条“相关弦”.已知当x>2时,点P(x,0)存在无穷多条相关弦.给定x0>2.

(1)证明:点P(x0,0)的所有相关弦的中点的横坐标相同;

(2)试问:点P(x0,0)的相关弦的弦长中是否存在最大值?若存在,求其最大值(用x0表示);若不存在,请说明理由.

(提示:(1)利用中点弦方程求出相关弦AB的垂直平分线的方程,知点P(x0,0)的所

切线PA的方程为

2aty=2a(at+x)Ζx-ty+at=0.于是,α=(1,-t)是切线PA的法向量.同理,β=(1,-s)是切线PB的法向量.

2

由题意有

β|=|α|・|β|cosθ|α・

Ζ(1+ts)2=(1+t2)(1+s2)cos2θ.把式①代入上式化简,易知所求轨迹方程为

222

)x-xsinθ+2a(1+cosθ2222

ycosθ+asinθ=0.

12中等数学

从高考到竞赛

数学竞赛中的二次函数问题(下)

曹贤鸣

(浙江省台州市第一中学,318000)

3 二次函数与二次不等式

例6 已知当

x[0,1]时,不等式

22

xcosθ-x(1-x)+(1-x)sinθ>0恒成立.试求θ的取值范围.

(1999,全国高中数学联赛)讲解:设

22

f(x)=x-x

)1)

要使f(x>x[1],只要当x[0,1](x)min>0即可.

注意到

2)x-f(x)=(1+sinθ+cosθ

(1+2sinθ)x+sinθ

)・=(1+sinθ+cosθ

2

x-+2(1+sinθ+cos2

sinθ-.)4(1+sinθ+cosθ

于是,需判断二次函数图像开口状况及对称轴与闭区间[0,1]的相对位置关系.

先利用条件控制θ的范围.

由于对任意的x[0,1],恒有f(x)>0,则sinθ

=f(0)

>0,cosθ=f(1)>0.故

2k

(k

Z).

此时,有1+sinθ+cosθ>0,

0

)2(1+sinθ+cosθ  5.有一动直线y=

2

所以,f(x)>0恒成立等价于

2

f(x)min=sinθ->0,)4(1+sinθ+cosθ

2

)sin

-(1+2sinθ)即 4(1+sinθ+cosθ

θ.=2

2

sinθ

,即因此,

2m

(mm

θ

Z).

1212综上所述,θ的取值范围为

(k2k+

1212

说明:恒成立问题是函数问题中的常见题型.求解此类问题的方法多样,转化为相应的最值问题比较常用.

2

例7 设函数f(x)=ax+8x+3(a

(1998,全国高中数学联赛)讲解:2f(x)=x++3-a

a

的对称轴为x=-

a

.

t

(x-t-1)(t为参

数),及一抛物线y=4x.问该直线与抛物线

的两交点连线的中点轨迹是什么?求证:该轨迹和直线x+y+1=0相切.

(提示:设中点P(x0,y0).则P关于抛物

线y=4x的中点弦方程为

2

y0y-2(x0+x)=y0-4x0.

此直线与已知动直线是同一直线.比较对应项系数并消去t,可得所求中点轨迹方程

2

为2x-1=(y+1).利用判别式通过计算可证明,该曲线与直线x+y+1=0相切.)

2

2009年第8期7

二次曲线中点弦、切线、切点弦及双切线方程

胡圣团

(湖南省澧县一中,415500)

  (本讲适合高中)1 知识简介

x0y+xy0

Ax0x+B+Cy0y+

2

记G(x,y)=Ax+Bxy+Cy+Dx+Ey+F.

1.1 二次曲线中点弦的方程

设Pi(xi,yi)(i=1,2)是曲线G(x,y)=0的弦P1P2的两个端点,P0(x0,y0)是弦P1P2的中点.则

22

Ax1+Bx1y1+Cy1+Dx1+Ey1+F0,2

A(2x0-x1)+010y1)2

C(2y0-y)(1)E(2y0-y1+=0.②①-②可得

(2Ax0+By0+D)(x0-x1)+(2Cy0+Bx0+E)(y0-y1)=0.

因为(x0-x1,y0-y1)是弦P1P2的方向向量,所以,(2Ax0+By0+D,2Cy0+Bx0+E)是弦P1P2的法向量.因此,弦P1P2的方程是

(2

A

x0+By0+D)(x0-x)+(2Cy0+Bx0+E)(y0-y)=0.为记忆方便,上述方程可整理为

x0y+xy0

Ax0x+B+Cy0y+

2

x0+xy0+yD+E+F

2222

=Ax0+Bx0y0+Cy0+Dx0+Ey0+F.1.2 二次曲线的切线方程

当曲线G(x,y)=0的弦P1P2的两个端点Pi(xi,yi)(i=1,2)重合时,Pi(xi,yi)(i=0,1,2)三点重合于曲线上一点P0(x0,y0),直线P1P2就是曲线G(x,y)=0在点P0处的切线.由于P0(x0,y0)在曲线上,于是,

22

Ax0+Bx0y0+Cy0+Dx0+Ey0+F=0.故曲线G(x,y)=0在其上一点P0(x0,y0)处的切线方程是

  收稿日期:2008-12-11 修回日期:2009-04-14

22

x+xy+y

D+E+F=0.

22

1.3 二次曲线的切点弦方程

设从点P0(x0,y0)G(x,y)=0的两条切线xi,yi)(i=1,2).ixi,iii

i+Cyiy+

2

xi+xyi+yD+E+F=0(i=1,2).

22

因点P0(x0,y0)在上述两切线上,所以,

xiy0+x0yi

Axix0+B+Cyiy0+

2

x+xy+yD+E+F=0(i=1,2).

22

以上两式说明,点Pi(xi,yi)(i=1,2)都在以下直线上:

x0y+xy0

Ax0x+B+Cy0y+

2

x0+xy0+yD+E+F=0.①

22

因此,从点P0(x0,y0)引曲线G(x,y)=0的两条切线所得切点弦的方程为式①.1.4 双切线方程

从二次曲线外一点引曲线的两条切线,称为该点关于该曲线的双切线.把切点弦看成双重合直线,则双切线就是过该双重合直线与二次曲线公共点的相交双直线.因而,可用二次曲线方程和切点弦方程表示为

22

Ax+Bxy+Cy+Dx+Ey+F+

xy+xyAx0x+B+Cy0y+

2

2

x+xy+yD+E+F=0(≠0).

22

把双切线交点P0(x0,y0)代入上述方程

8中等数学

可以确定,进而求出双切线方程.2 

四种方程的应用

例1 如图1,P是抛物

2

线y=2x上的动点,点B、C在y轴上,圆

22

(x-1)+y=1内切于△PBC.求△PBC面积的最小值.

图1

(2008,全国高中数学联赛)

讲解:由抛物线的对称性,不妨设

2

P(2t,2t)(t>0).

22

yx0,,切点弦MN22

2tx+2tyx2t)=0,22

即 (2t-1)x+2ty-2t=0.

故双切线PB、PC就是通过二重直线

222

[(2t-1)x+2ty-2t]=0

与圆的所有公共点的二次曲线,其方程为

22222

(x-1)+y-1+[(2t-1)x+2ty-2t]=0.

把点P

的坐标代入上式得=-4.于

4t

是,双切线PB、PC的方程可以写成

22222

(x-1)+y-1-4[(2t-1)x+2ty-2t]=0.

4t

在上式中令x=0,得

y=y-1或y=1-y.

t

t

因此,所求最小值是8.注:题中M、N、B、C的位置都依赖点P的位置,而点P的位置只需一个自由变量即可描述,于是,可把这种解析几何最值问题转化为函数最值问题.另外,借切点弦方程,用双切线方程求点B、C的坐标能起到减少解题环节的作用.

例2

 如图2,过直线l:5x-7y-70=0上的点P作椭圆

2

25

+

2

9

=1

的切线PM、PN,为,2

)P在直线l上运动时,证明:直

因为当t=1时,只有一条切线PB和轴

22

相交,当01.

于是,yB,yC=,1+t1-t

2

BC=-.

1+t1-tt2-1

2

线MN恒过定点Q;

(2)当MN∥l时,定点Q平分线段MN.(2008,湖南省高中数学竞赛)讲解:(1)在直线l上任取一点P(7t+7,5t-5),

故P关于椭圆的切点弦MN的方程为

・x・y-1=0259

Ζx+tx-y-1=0.

259259x+y=0,259x-y-1=0.

259

解方程组得x=,y=-.

1410

,-因此,直线MN恒过定点.

14(2)注意到

(-7)Ζt.MN∥lΖ=5∶

259533

当t时,MN的方程为533=0.35

2

故S△PBC=BC|xP|=2・2t

22t-14

22=2+(t-1)2≥8.

t-t-1

5x-7y-

当且仅当t=2时,上式等号成立.故点Q关于椭圆的中点弦方程为

2009年第8期9

2

-xy251492514即 5x-7y-=0.35

9-,2

所以,Q也是MN的中点,即定点Q平分线段MN.

注:从曲线的含变化参数的方程(实际上就是曲线系方程)求出曲线上的定点,是证明曲线过定点的常规方法.由于本题中的切点弦MN只依赖点P的位置,因此,使用切点弦方程正是时机.证明点Q平分线段MN实际上是使用了同一法,同时也发挥了中点弦方程的作用.

2

例3 已知抛物线y=-x+bx+c与抛

2

物线y=x相切.求该抛物线顶点的几何位置.

(第17讲解:x1y1则y+yx+x

=-x1x+b+c,22y1+y

=x1x.2

因为两抛物线相切,所以,它们在切点处有相同的切线.因而,上述两方程相同,有

-x1+

bx1

样运动,都有AQP=BQP?证明你的结论.

(2007,)讲解:(1)由A=(>0),知A、P、B三点共线,且点P在A、B之间.

设M(x0,y0).则切点弦AB的方程为x0x=2(y0+y).①把点P的坐标代入方程①得y0=-8.因此,点M的纵坐标为定值-8.

(2)检查特殊点M(0,-8)是否可以作为点Q.

方程①可以写成y=x0x+8,代入抛物

2

22

线=4x-2x-=0.

BB-32.

y+8y+8

故kBM+kAMxB

xA

xB

2

=

+8

xB

xA

2

+

+8

xA

xB

2

=

-

xAxBxA

2

xB

+

-

xAxB

xA

=0.

2

=x1,

2

+c=0.

bx1

2

由此可得x1=

,c=-=-.

428

2

于是,抛物线y=-x+bxc

写成y=-x+bx-

2

2

8

.故顶点为

2

,.

2

8

例4 如图3,已知

2

抛物线x=4y及定点P(0,8),A、B上的两动点,且A=(>0).过A、B

两点分别作抛物线的切线,设其

交点为M.

图3

(1)证明:点M的纵坐标为定值;

(2)是否存在定点Q,使得无论AB怎

所以,直线AM、BM关于y轴对称.因此,点M是符合条件的点Q.例5 如图4,AB为一椭圆的长轴,O为中心,F为焦点,P为椭圆上的一点,CD为通过O的弦且平行于过P的切线,直线PF与CD(或其延长线)图4交于点Q.证明

或否定PQ=OA=OB.

讲解:设椭圆方程为

2+2=1(a>b>0).ab

).则过点P的椭圆的设P(acosθ,bsinθ

2

2

切线方程为

=1,

a

b

即 xbcosθ+yasinθ=ab.

由此可得CD的方程为xbcosθ+yasinθ=0.

10中等数学

记CD的法向量α=(θ),,asinθ

β==(acosθ+c,bsinθ),αβ的夹角记为φ、.又点P到CD的距离为

dP-CDbcosθ+asinθdP-CDdP-CD

2

2

2

2

=2

|α|

,

故PQ|cosφ|

=

|α|・|β|

2

2

β||α・

θ22

|abcosθ+absinθ+bccosθ|

()()θ|a+c

cosθ|

=a=OA=OB.注:“算不离形”,.

例6 如图,设M是椭圆的一条弦UV

2

2

2

2

的中点,过M再作弦AB、CD,设AC、BD分别与UV交于点P、Q.求证:M也图5是线段PQ的中点.

(第24届美国普特南数学竞赛)讲解:设M(x0,y0).则椭圆方程为22

ax+by=c(a、b、cN+),lAB:a1(x-x0)+b1(y-y0)=0,lCD:a2(x-x0)+b2(y-y0)=0,

点M(

x0,y0)关于椭圆的中点弦UV的方程为

22

ax0x+by0y=ax0+by0.于是,双直线AC、BD的方程可以设为

22

(ax+by-c)+[a1(x-x0)+b1(y-y0)]・[a2(x-x0)+b2(y-y0)]=0(≠0),

22

即 (a1a2+a)x+(b1b2+b)y+(a1b2+a2b1)xy-[(a1b2+a2b1)y0+2a1a2x0]x-[(a1b2+a2b1)x0+2b1b2y0]y+

22

a1a2x0+b1b2y0+(a1b2+a2b1)x0

y0-c=0.点M(x0,y0)关于双直线AC、BD(也是

二次曲线)的中点弦的方程为

(a1a2+a)x0x+(b1b2+b)y0y+

x0y+y0x

(a1b2+a2b1)-2

x+x

[(a1b2+a2b1)y0+2a1a2x0-2

y0+y

[(a1b

2+a2b1)x0+2b1b2y02

22

=(a1a2+a)x0+(b1b2+b)y0+(a1b2+a2b1)x0y0-[(a1b2+a2b1)y0+2a1a2x0]x0-[(a1b2+a2b1)

x0+2b1b2y0]y0,

22

即 ax0x+by0y=ax0by0.

2

,ax0x0y0+by0.

,点(x0AC、()的中点弦仍然在直线UV.因而,M也是线段PQ的中点.

注:中点弦方程不仅适用于圆锥曲线,

也适用于退化的二次曲线.另外,该证明实际上已经证明了M也是线段P′Q′的中点,其中,P′、Q′分别是弦AD、BC与弦UV的交点.

例7 如图6,段数有限的折线内接于抛物线,其始点与抛物线的顶点重合,折线中任意共顶点的两线段与抛物线在该点处的切线

图6都成等角.证明:这

样的折线只能位于抛物线对称轴的一侧.

(第22届全苏数学奥林匹克)

2

讲解:不妨设抛物线为y=ax(a>0).

2

依次取折线上三个相邻的顶点Ai(xi,axi)(i=n,n+1,n+2,nN).

由抛物线在点An+1处的切线方程(或求导数)可知其斜率

k=2axn+1,

22

a(xn-xn+1)

k1=kAnAn+1=a(xn+xn+1),

xn-xn+122

a(xn-xn)

k2=kAn+1An+2==a(xn+2+xn+1).

xn+2-xn+1

因为AnAn+1、An+1An+2与抛物线在点

2009年第8期11

An+1处的切线夹角相等,所以,

k-kk-k1+k1k

Ζ

1+kk2

a(xn-xn+1)

=

2

1+2axn+1(xn+xn+1)

a(xn+1-xn+2)

2

1+2axn+1(xn+1+xn+2)

2

Ζ(4a2x2

n+1+1)(xn+1-xn)

2

=(4axnxn+1+1)(xn+2-xn+1)(xn+1-xn).当xn和xn+1同号时,xn+2-xn+1和xn+1-

有相关弦的中点Q(x1,y1)的横坐标相同且都是x0-2.

(2)将点P的相关弦AB的方程代入抛2

物线y=4x,由韦达定理知

2

f(t)=AB=(t+4)(4x0-8-t),

2

(0,4x0-8).其中,t=y1

易知当x0>3时,二次函数f(t)能取到最大值f(2x0-6)=(2x0-2),与此同时,AB能取最大值2x0-2;当2

3.求抛物线方程,x轴、

,并求抛物线的y(1,0).

:0)关于抛物线的切点弦

(0,2)的直线l:2x+y-2=(1,0)、

0.易求得抛物线方程为

2

(2x-y)-4(2x+y)+4=0.

故抛物线的对称轴为10x-5y-6=0,

,顶点为.)252

4.设抛物线y=4ax的两条切线相交成θ角(θ是常量).求角的顶点的轨迹方程.

(提示:设角的顶点为P(x0,y0),切点为

A(at,2at)、B(as,2as),代入切点弦AB的

2

2

2

xn也同号,即当数列{xk}的首项与第二项同

号时,该数列是单调数列.

因此,当折线起于原点时,折线总在抛物线对称轴———y轴的同侧.

注:例7的条件可以减弱,,.

练习题

1.对于椭圆上的点P,设d是从椭圆的

中心到过点P的切线的距离.证明:当P在

2

椭圆上运动时,PF1・PF2d是常数,这里,PF1与PF2是从点P到椭圆的焦点F1与F2的距离.

(第37届美国普特南数学竞赛)

222222

(提示:由椭圆方程bx+ay=ab(a>b>0)及切线方程,利用点到直线的距

2

离公式、两点间距离公式知PF1・PF2d=

ab(定值).)

2

2

方程y0y=2a(x0+x).

所以,t、s是关于u的一元二次方程au

-y0u+x0=0的两个根.由韦达定理有

t+s=

y0a,ts=

x0a.

2

2.若A、B是抛物线y=4x上不同的两

2

2

点,弦AB(不平行于y轴)的垂直平分线与x轴交于点P,则称弦AB是点P的一条“相关弦”.已知当x>2时,点P(x,0)存在无穷多条相关弦.给定x0>2.

(1)证明:点P(x0,0)的所有相关弦的中点的横坐标相同;

(2)试问:点P(x0,0)的相关弦的弦长中是否存在最大值?若存在,求其最大值(用x0表示);若不存在,请说明理由.

(提示:(1)利用中点弦方程求出相关弦AB的垂直平分线的方程,知点P(x0,0)的所

切线PA的方程为

2aty=2a(at+x)Ζx-ty+at=0.于是,α=(1,-t)是切线PA的法向量.同理,β=(1,-s)是切线PB的法向量.

2

由题意有

β|=|α|・|β|cosθ|α・

Ζ(1+ts)2=(1+t2)(1+s2)cos2θ.把式①代入上式化简,易知所求轨迹方程为

222

)x-xsinθ+2a(1+cosθ2222

ycosθ+asinθ=0.

12中等数学

从高考到竞赛

数学竞赛中的二次函数问题(下)

曹贤鸣

(浙江省台州市第一中学,318000)

3 二次函数与二次不等式

例6 已知当

x[0,1]时,不等式

22

xcosθ-x(1-x)+(1-x)sinθ>0恒成立.试求θ的取值范围.

(1999,全国高中数学联赛)讲解:设

22

f(x)=x-x

)1)

要使f(x>x[1],只要当x[0,1](x)min>0即可.

注意到

2)x-f(x)=(1+sinθ+cosθ

(1+2sinθ)x+sinθ

)・=(1+sinθ+cosθ

2

x-+2(1+sinθ+cos2

sinθ-.)4(1+sinθ+cosθ

于是,需判断二次函数图像开口状况及对称轴与闭区间[0,1]的相对位置关系.

先利用条件控制θ的范围.

由于对任意的x[0,1],恒有f(x)>0,则sinθ

=f(0)

>0,cosθ=f(1)>0.故

2k

(k

Z).

此时,有1+sinθ+cosθ>0,

0

)2(1+sinθ+cosθ  5.有一动直线y=

2

所以,f(x)>0恒成立等价于

2

f(x)min=sinθ->0,)4(1+sinθ+cosθ

2

)sin

-(1+2sinθ)即 4(1+sinθ+cosθ

θ.=2

2

sinθ

,即因此,

2m

(mm

θ

Z).

1212综上所述,θ的取值范围为

(k2k+

1212

说明:恒成立问题是函数问题中的常见题型.求解此类问题的方法多样,转化为相应的最值问题比较常用.

2

例7 设函数f(x)=ax+8x+3(a

(1998,全国高中数学联赛)讲解:2f(x)=x++3-a

a

的对称轴为x=-

a

.

t

(x-t-1)(t为参

数),及一抛物线y=4x.问该直线与抛物线

的两交点连线的中点轨迹是什么?求证:该轨迹和直线x+y+1=0相切.

(提示:设中点P(x0,y0).则P关于抛物

线y=4x的中点弦方程为

2

y0y-2(x0+x)=y0-4x0.

此直线与已知动直线是同一直线.比较对应项系数并消去t,可得所求中点轨迹方程

2

为2x-1=(y+1).利用判别式通过计算可证明,该曲线与直线x+y+1=0相切.)

2


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