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5.2 弦长公式

双曲线的定义、标准方程与几何性质 · 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 利用直线斜率与韦达定理,将弦长表示为 $\sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|$ 或 $\sqrt{1+\frac{1}{k^2}}|y_1-y_2|$ 的公式。

从哪来 基于 6.1 椭圆与直线的位置关系(联立方程组)和 4.1 焦半径公式(虽非直接推导,但同属解析几何核心工具,此处主要依赖联立后的韦达定理,而韦达定理是方程基础,但在给定前置中,最紧密的逻辑链条是 6.1 椭圆与直线的位置关系 提供了 $x_1, x_2$ 是方程根的前提,以及 2.1 焦点在x轴上 等标准方程形式作为代入对象)。 *注:严格来说,弦长公式直接依赖的是“直线与圆锥曲线联立”及“韦达定理”。在给定前置列表中,6.1 椭圆与直线的位置关系 是产生 $x_1, x_2$ 关系的直接来源,2.1/2.2 提供了具体的椭圆方程形式。*

为什么 两点间距离公式 $|AB| = \sqrt{(x_1-x_2)^2 + (y_1-y_2)^2}$ 中,若直接计算坐标差很繁琐。 因为点 $A, B$ 在直线 $y=kx+m$ 上,所以 $y_1-y_2 = k(x_1-x_2)$。 代入距离公式: $|AB| = \sqrt{(x_1-x_2)^2 + k^2(x_1-x_2)^2} = \sqrt{1+k^2} \cdot |x_1-x_2|$。 又因为 $x_1, x_2$ 是联立后一元二次方程的两根,由韦达定理可知 $|x_1-x_2| = \sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1x_2}$。 这样就将几何长度问题转化为代数运算问题,避免了求具体坐标的复杂计算。

“代数消元法”
适合逻辑严密、擅长代数运算的学生。 步骤: 1. 联立直线与椭圆方程,消去 $y$(或 $x$),得到关于 $x$(或 $y$)的一元二次方程 $ax^2+bx+c=0$。 2. 计算判别式 $\Delta > 0$(确保相交)。 3. 写出韦达定理 $x_1+x_2, x_1x_2$。 4. 代入公式 $|AB| = \sqrt{1+k^2}\sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1x_2}$。 强调:这是最通用的“通法”,无论直线斜率是否存在(需单独讨论 $k$ 不存在的情况),只要联立成功即可使用。
“几何直观+参数法”
适合空间想象力强、对纯代数反感的学生。 思路: 1. 画图,标出弦 $AB$ 与 $x$ 轴的夹角 $\theta$(即直线倾斜角)。 2. 指出 $|AB|$ 在 $x$ 轴上的投影长度为 $|x_1-x_2|$。 3. 由三角函数关系,$\cos\theta = \frac{|x_1-x_2|}{|AB|}$,故 $|AB| = \frac{|x_1-x_2|}{|\cos\theta|}$。 4. 因为 $k = \tan\theta$,所以 $\frac{1}{|\cos\theta|} = \sqrt{1+k^2}$。 5. 结论:$|AB| = \sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|$。 优势:学生能理解公式中 $\sqrt{1+k^2}$ 的几何意义是“斜率引起的长度放大因子”。
“特殊值验证+公式记忆”
适合基础薄弱、需要快速应试的学生。 策略: 1. 强调公式结构:$\sqrt{1+k^2}$ 是“系数”,$|x_1-x_2|$ 是“根差”。 2. 记忆口诀:“一加k平方,根号下韦达”。 3. 提醒:如果直线垂直于 $x$ 轴($k$ 不存在),则直接用 $|y_1-y_2|$,此时公式变为 $|AB| = |y_1-y_2|$(相当于 $k \to \infty$ 的极限情况,或直接用纵坐标差)。 4. 练习:只练计算 $\sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1x_2}$ 的代数变形,不纠结几何推导。
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练一道
基础题
已知椭圆 $\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,过点 $P(1, 0)$ 的直线 $l$ 交椭圆于 $A, B$ 两点,且直线 $l$ 的斜率为 $1$,求弦长 $|AB|$。
变式
已知椭圆 $C: \frac{x^2}{2} + y^2 = 1$,直线 $l: x + y - 1 = 0$ 交椭圆于 $A, B$ 两点,求 $|AB|$。
试试手自己判
检测题
直线 $y = x + 1$ 与椭圆 $\frac{x^2}{2} + \frac{y^2}{3} = 1$ 相交于 $A, B$ 两点,求 $|AB|$。
看答案和判分标准
答案:$\frac{6\sqrt{2}}{5}$
判对标准:
1. 联立方程正确,得到 $5x^2 + 4x - 4 = 0$(或等价形式)。
2. 正确应用韦达定理:$x_1+x_2 = -4/5, x_1x_2 = -4/5$。
3. 正确代入弦长公式:$|AB| = \sqrt{2} \cdot \sqrt{(-4/5)^2 - 4(-4/5)} = \sqrt{2} \cdot \sqrt{16/25 + 16/5} = \sqrt{2} \cdot \sqrt{96/25} = \sqrt{2} \cdot \frac{4\sqrt{6}}{5} = \frac{4\sqrt{12}}{5} = \frac{8\sqrt{3}}{5}$?
*等等,让我重新算一下检测题的答案,确保准确。*

重新计算检测题:
方程:$\frac{x^2}{2} + \frac{(x+1)^2}{3} = 1 \Rightarrow 3x^2 + 2(x^2+2x+1) = 6 \Rightarrow 5x^2 + 4x - 4 = 0$。
$\Delta = 16 - 4(5)(-4) = 16 + 80 = 96$。
$|x_1 - x_2| = \frac{\sqrt{\Delta}}{|a|} = \frac{\sqrt{96}}{5} = \frac{4\sqrt{6}}{5}$。
$|AB| = \sqrt{1+1^2} \cdot |x_1 - x_2| = \sqrt{2} \cdot \frac{4\sqrt{6}}{5} = \frac{4\sqrt{12}}{5} = \frac{8\sqrt{3}}{5}$。

*修正答案*:$\frac{8\sqrt{3}}{5}$。
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