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5.3 焦点弦

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 过圆锥曲线焦点的直线与曲线相交,两交点间的线段称为焦点弦。

从哪来 基于 4.1 焦半径公式 和 6.2 弦长公式,结合 6.1 椭圆与直线的位置关系 推导得出。

为什么 焦点弦本质是过定点(焦点)的弦。利用焦半径公式 $|PF_1| = a \pm ex_0$ 可以将几何长度问题转化为坐标代数问题;利用弦长公式 $|AB| = \sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|$ 则建立了斜率与坐标差的关系。两者结合,能消去复杂的根号运算,直接建立斜率 $k$ 与弦长 $|AB|$ 的函数关系,从而揭示焦点弦长度的极值规律(通径最短)。

讲法
“焦半径和差法” 适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生 1. 设直线 $l$ 过焦点 $F(c,0)$,交椭圆于 $A(x_1,y_1), B(x_2,y_2)$。 2. 根据焦半径公式:$|AF| = a - ex_1$(假设 $F$ 为右焦点,$A$ 在左侧或统一用 $a-|ex_1|$ 需谨慎,通常用 $a \mp ex$ 需判断位置,更稳妥的是利用 $|AF|+|BF|$ 的几何意义或统一公式)。 *修正推导*:若 $F$ 为右焦点,$|AF| = a - ex_1$ 仅当 $A$ 在右半轴时成立?不,焦半径公式统一为 $|PF| = a - ex_0$ (右焦点) 或 $a + ex_0$ (左焦点) 是针对特定象限的。 *更通用的推导*:利用 $|AB| = |AF| + |BF|$。 若直线斜率存在且不为0,设 $A, B$ 横坐标为 $x_1, x_2$。 由焦半径公式(以右焦点为例):$|AF| = a - ex_1$ 是错误的,应该是 $|AF| = a - e x_1$ 如果 $A$ 在右顶点左侧? *准确表述*:对于椭圆 $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$ ($a>b>0$),右焦点 $F(c,0)$。 焦半径公式:$|PF| = a - ex_0$ (当 $P$ 在右半平面? 不,是 $a - e x_0$ 对于右焦点,$x_0$ 可正可负,公式本身 $|PF| = a - e x_0$ 是通用的吗? 验证:右顶点 $(a,0)$,$|PF|=a-c=a-ea=a(1-e)$。公式 $a-e(a)=a-ae$。对。 左顶点 $(-a,0)$,$|PF|=a+c=a+ae$。公式 $a-e(-a)=a+ae$。对。 所以,$|AF| = a - ex_1$,$|BF| = a - ex_2$。 $|AB| = |AF| + |BF| = 2a - e(x_1+x_2)$。 3. 联立直线 $y=k(x-c)$ 与椭圆方程,利用韦达定理求 $x_1+x_2$。 4. 代入上式,得到 $|AB|$ 关于 $k$ 的表达式。 5. 分析该函数的单调性,得出当 $k \to \infty$ (即垂直于长轴) 时,弦长最小,为通径 $\frac{2b^2}{a}$。
讲法
“通径对比法” 适合:直观思维强、喜欢几何画板演示的学生 1. 先画出椭圆的通径(过焦点垂直于长轴的弦),长度为 $\frac{2b^2}{a}$。 2. 动态旋转过焦点的直线,观察弦长变化。 3. 引导学生发现:当直线与长轴重合时,弦长最长,为 $2a$;当直线与长轴垂直时,弦长最短。 4. 结论:焦点弦长度范围是 $[\frac{2b^2}{a}, 2a]$。 5. 重点强调:通径是焦点弦中最短的。这是椭圆的一个特殊性质,可以通过几何直观快速判断极值,无需复杂计算。
讲法
“参数方程法” 适合:对三角函数敏感、计算能力较强的学生 1. 设椭圆参数方程 $x=a\cos\theta, y=b\sin\theta$。 2. 设焦点 $F(c,0)$,直线倾斜角为 $\alpha$。 3. 利用直线的参数方程(以焦点为起点): $x = c + t\cos\alpha$ $y = 0 + t\sin\alpha$ 4. 代入椭圆方程,得到关于 $t$ 的一元二次方程。 5. 根据韦达定理,$t_1, t_2$ 分别代表 $F$ 到 $A, B$ 的有向距离。 6. 弦长 $|AB| = |t_1 - t_2|$。 7. 利用判别式或韦达定理化简,发现 $|AB| = \frac{2ab^2}{a^2\sin^2\alpha + b^2\cos^2\alpha}$ (需具体推导,此处略去繁琐代数,重点在于方法)。 8. 此方法避免了讨论斜率不存在的情况,统一处理所有焦点弦。
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练一道
基础题
已知椭圆 $C: \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,过右焦点 $F$ 的直线交椭圆于 $A, B$ 两点,求 $|AB|$ 的最小值。
变式
已知椭圆 $C: \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,过右焦点 $F$ 的直线交椭圆于 $A, B$ 两点,若 $|AF| = 2|BF|$,求直线 $AB$ 的斜率 $k$。
试试手自己判
检测题
已知椭圆 $\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{16} = 1$,过左焦点 $F_1$ 的直线交椭圆于 $A, B$ 两点,若 $|AF_1| = 3$,求 $|BF_1|$ 的值。
看答案和判分标准
答案:$|BF_1| = \frac{16}{3}$
判对标准:
1. 学生能正确识别 $a=5, b=4, c=3$。
2. 能利用焦半径公式或椭圆定义建立 $|AF_1|$ 与 $|AF_2|$ 的关系:$|AF_1| + |AF_2| = 2a = 10 \Rightarrow |AF_2| = 7$。
3. 能利用焦点弦性质或相似三角形/焦半径公式推导 $|BF_1|$。
*方法一(焦半径)*:设 $A(x_1,y_1), B(x_2,y_2)$。$|AF_1| = a + ex_1 = 5 + \frac{3}{5}x_1 = 3 \Rightarrow x_1 = -\frac{10}{3}$。
直线过 $F_1(-3,0)$ 和 $A(-\frac{10}{3}, y_1)$。
此路较繁。
*方法二(通径比例/调和平均)*:对于过焦点的弦,$\frac{1}{|AF_1|} + \frac{1}{|BF_1|} = \frac{2}{L_{\text{通径}}}$ 是双曲线性质?不,椭圆也有类似性质:$\frac{1}{|AF|} + \frac{1}{|BF|} = \frac{2a}{b^2}$。
验证:$\frac{1}{3} + \frac{1}{|BF_1|} = \frac{2 \times 5}{16} = \frac{10}{16} = \frac{5}{8}$。
$\frac{1}{|BF_1|} = \frac{5}{8} - \frac{1}{3} = \frac{15-8}{24} = \frac{7}{24}$。
$|BF_1| = \frac{24}{7}$?
*等等,重新检查公式*。
椭圆焦点弦性质:$\frac{1}{|AF|} + \frac{1}{|BF|} = \frac{2a}{b^2}$ 是双曲线的性质吗?
让我们用基础方法验证。
$|AF_1| = 3$。$a=5$。
$|AF_2| = 10 - 3 = 7$。
在 $\triangle AF_1F_2$ 中,$F_1F_2 = 2c = 6$。
由余弦定理:$|AF_2|^2 = |AF_1|^2 + |F_1F_2|^2 - 2|AF_1||F_1F_2|\cos \angle AF_1F_2$。
$49 = 9 + 36 - 36 \cos \theta \Rightarrow 49 = 45 - 36 \cos \theta \Rightarrow 36 \cos \theta = -4 \Rightarrow \cos \theta = -\frac{1}{9}$。
在 $\triangle BF_1F_2$ 中,$\angle BF_1F_2 = 180^\circ - \theta$,$\cos(180^\circ-\theta) = -\cos \theta = \frac{1}{9}$。
设 $|BF_1| = m$。
$|BF_2| = 10 - m$。
$(10-m)^2 = m^2 + 36 - 2 \cdot m \cdot 6 \cdot \frac{1}{9}$。
$100 - 20m + m^2 = m^2 + 36 - \frac{4}{3}m$。
$64 = 20m - \frac{4}{3}m = \frac{56}{3}m$。
$m = \frac{64 \times 3}{56} = \frac{192}{56} = \frac{24}{7}$。

*之前的公式 $\frac{1}{|AF|} + \frac{1}{|BF|} = \frac{2a}{b^2}$ 计算结果:*
$\frac{1}{3} + \frac{1}{m} = \frac{10}{16} = \frac{5}{8}$。
$\frac{1}{m} = \frac{5}{8} - \frac{1}{3} = \frac{7}{24} \Rightarrow m = \frac{24}{7}$。

两个方法结果一致。

修正答案:$|BF_1| = \frac{24}{7}$。
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