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6.3 焦点弦

椭圆的定义、标准方程与性质 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 过圆锥曲线焦点且与曲线相交于两点的直线段,其长度即为焦点弦长。

从哪来 基于1.2 直线方程的五种形式(特别是点斜式或参数方程)确定直线,结合7.1 轨迹方程的求法(联立直线与圆锥曲线方程)求解交点,利用8.1 最值问题中的距离公式计算弦长。

为什么 焦点弦的本质是直线与二次曲线的交点连线。 1. 几何本质:焦点在曲线上具有特殊的几何意义(如椭圆定义中到两焦点距离之和为定值)。 2. 代数推导:设直线过焦点 $F$,斜率为 $k$,代入曲线方程得到关于 $x$(或 $y$)的一元二次方程。根据韦达定理,两根之和与积已知。弦长公式 $|AB| = \sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|$ 可化简为仅含 $k$ 和曲线参数的表达式。 3. 极坐标优势:若以焦点为极点,圆锥曲线方程形式更简洁(如 $r = \frac{ep}{1-e\cos\theta}$),此时焦点弦长直接由两个极径之和给出,避免了复杂的韦达定理运算,体现了“数形结合”中坐标选取对计算复杂度的影响。

代数通法(韦达定理法)** **适合学生
逻辑严密、擅长代数运算、对几何直观不敏感的学生。 步骤: 1. 设直线方程 $y=k(x-x_0)$(注意讨论斜率不存在情况)。 2. 联立曲线方程,消元得一元二次方程 $Ax^2+Bx+C=0$。 3. 由韦达定理得 $x_1+x_2, x_1x_2$。 4. 代入弦长公式 $|AB| = \sqrt{1+k^2}\sqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}$。 优点:通用性强,适用于椭圆、双曲线、抛物线,不易出错。
极坐标法(焦半径公式法)** **适合学生
空间想象力强、喜欢寻找几何捷径、计算能力中等偏上的学生。 步骤: 1. 建立以焦点为极点的极坐标系。 2. 写出圆锥曲线的极坐标方程(如椭圆 $r = \frac{a(1-e^2)}{1-e\cos\theta}$)。 3. 设直线倾斜角为 $\alpha$,则两交点极角分别为 $\alpha$ 和 $\alpha+\pi$。 4. 弦长 $|AB| = r_1 + r_2$。 优点:计算量极小,特别适合求最值或特定角度下的弦长。
定义法(第二定义法)** **适合学生
对圆锥曲线几何定义理解深刻、喜欢几何直观的学生。 步骤: 1. 利用圆锥曲线第二定义:点到焦点距离与到准线距离之比为离心率 $e$。 2. 设交点 $A, B$ 到准线的距离分别为 $d_1, d_2$。 3. 则 $|AF| = e d_1$, $|BF| = e d_2$。 4. 焦点弦长 $|AB| = |AF| + |BF| = e(d_1+d_2)$。 5. 利用几何关系将 $d_1+d_2$ 转化为横坐标之和与准线位置的关系。 优点:揭示了焦点弦长度与离心率、横坐标的内在联系,便于理解性质。
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练一道
基础题
已知抛物线 $C: y^2 = 4x$,过焦点 $F$ 的直线交 $C$ 于 $A, B$ 两点。若直线 $AB$ 的倾斜角为 $45^\circ$,求 $|AB|$。
变式
已知椭圆 $\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,过右焦点 $F$ 的直线交椭圆于 $A, B$ 两点。求 $|AB|$ 的最小值。
试试手自己判
检测题
已知双曲线 $\frac{x^2}{3} - y^2 = 1$ 的右焦点为 $F$,过 $F$ 的直线交双曲线右支于 $A, B$ 两点。求 $|AB|$ 的最小值。
看答案和判分标准
答案:$2\sqrt{3}$
判对标准:
1. 正确识别双曲线参数:$a=\sqrt{3}, b=1, c=2, e=\frac{2}{\sqrt{3}}$。
2. 使用正确公式或推导:双曲线焦点弦长 $|AB| = |AF| + |BF| = (ex_1-a) + (ex_2-a) = e(x_1+x_2) - 2a$(注意双曲线焦半径公式符号)。
或者利用通径概念:当直线垂直于实轴时,弦长最短。
通径长 $= \frac{2b^2}{a} = \frac{2\times1}{\sqrt{3}} = \frac{2\sqrt{3}}{3}$?
更正:双曲线焦点弦最小值问题需小心。
对于双曲线 $\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1$,过焦点且垂直于实轴的弦(通径)长为 $\frac{2b^2}{a}$。
但是,是否存在更短的弦?
设直线 $x=my+c$。联立得 $(1-m^2)y^2 - 2mcy - (c^2+a^2)=0$。
若直线与右支交于两点,需 $\Delta > 0$ 且两根同号(或根据位置关系)。
实际上,对于双曲线,过焦点的弦长没有最小值?
不,题目限定“交右支于A,B两点”。
当直线趋近于渐近线时,弦长趋近于无穷大。
当直线垂直于实轴时,弦长为通径 $\frac{2b^2}{a}$。
让我们重新检查双曲线焦点弦性质。
焦半径 $|AF| = ex_1 - a$ (对于右支)。
$|AB| = e(x_1+x_2) - 2a$。
由韦达定理 $x_1+x_2$ 随斜率变化。
当直线垂直于x轴时,$x_1=x_2=c$, $|AB| = 2c - 2a$?不对,此时 $y = \pm \frac{b^2}{a}$,弦长 $\frac{2b^2}{a}$。
代入公式:$x_1+x_2 = 2c$。 $|AB| = e(2c) - 2a = \frac{c}{a}(2c) - 2a = \frac{2c^2}{a} - 2a = \frac{2(a^2+b^2)}{a} - 2a = \frac{2b^2}{a}$。吻合。
是否可能更小?
考虑 $|AB| = \frac{2b^2}{a} \cdot \frac{1}{1-e^2\cos^2\theta}$ 这个公式是椭圆的。
双曲线公式:$|AB| = \frac{2b^2}{a} \cdot \frac{1}{|1-e^2\cos^2\theta|}$?
若 $1-e^2\cos^2\theta$ 为负,则取绝对值。
由于 $e > 1$,当 $\cos^2\theta$ 接近 $1/e^2$ 时,分母趋近于0,弦长趋近于无穷大。
当 $\cos^2\theta = 0$ 时,分母为1,弦长为 $\frac{2b^2}{a}$。
当 $\cos^2\theta = 1$ 时,分母为 $|1-e^2| = e^2-1$。弦长 $= \frac{2b^2}{a(e^2-1)} = \frac{2b^2}{a \cdot \frac{b^2}{a^2}} = 2a$。
比较 $\frac{2b^2}{a}$ 和 $2a$。
本题中 $a=\sqrt{3}, b=1$。
通径 $\frac{2}{\sqrt{3}} \approx 1.15$。
平行实轴弦长 $2\sqrt{3} \approx 3.46$。
显然通径更短。
所以最小值是通径长 $\frac{2\sqrt{3}}{3}$。

等等,我之前的“答案”写错了,这里需要修正检测题的答案。

修正后的检测题答案:
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