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3.2 对称性

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 椭圆关于x轴、y轴及原点均对称,坐标轴为对称轴,原点为对称中心。

从哪来 建立在 1.1 第一定义(统一定义) 和 3.1 范围 之上。通过第一定义推导出的标准方程 $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$ 中 $x$ 和 $y$ 均为偶次幂,结合范围限制,自然导出对称性。

为什么 从代数角度看,椭圆标准方程 $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$ 中,$x$ 和 $y$ 的最高次幂均为2(偶数次)。这意味着若 $(x, y)$ 是方程的解,则 $(-x, y)$、$(x, -y)$、$(-x, -y)$ 必然也是解。 从几何直观看,椭圆的定义是“到两定点距离之和为定值”。由于两焦点关于坐标轴或原点对称,且距离和是标量(无方向性),这种几何构造本身就蕴含了高度的对称美。这种对称性使得我们只需研究第一象限的部分,即可推知整个图形,极大简化了作图和计算。

代数验证法** **适合:逻辑严密、擅长代数运算的学生** 直接取椭圆上任意一点 $P(x_0, y_0)$,代入标准方程验证。 1. 若 $P(x_0, y_0)$ 在椭圆上,则 $\frac{x_0^2}{a^2} + \frac{y_0^2}{b^2} = 1$。 2. 考察点 $P'(-x_0, y_0)$,代入得 $\frac{(-x_0)^2}{a^2} + \frac{y_0^2}{b^2} = \frac{x_0^2}{a^2} + \frac{y_0^2}{b^2} = 1$,故 $P'$ 也在椭圆上。 3. 同理可证关于y轴和原点的对称点。 **核心逻辑
偶函数性质 $\rightarrow$ 图像关于y轴对称;$x,y$ 互换不变 $\rightarrow$ 关于 $y=x$ 对称(仅当 $a=b$ 即圆时成立,椭圆一般不关于 $y=x$ 对称,但关于坐标轴对称)。
几何直观法** **适合:空间想象力强、偏好图形思维的学生** 利用椭圆的定义“到两焦点距离之和为定值”。 1. 设焦点为 $F_1(-c, 0)$ 和 $F_2(c, 0)$。 2. 取椭圆上一点 $P$,作 $P$ 关于x轴的对称点 $P'$。 3. 由几何对称性知 $|PF_1| = |P'F_2|$ 且 $|PF_2| = |P'F_1|$。 4. 因为 $|PF_1| + |PF_2| = 2a$,所以 $|P'F_2| + |P'F_1| = 2a$。 5. 结论:$P'$ 也满足椭圆定义,故在椭圆上。 **核心逻辑
焦点位置对称 + 距离和不变 $\rightarrow$ 轨迹对称。
方程结构分析法** **适合:抽象思维能力强、喜欢归纳规律的学生** 观察方程 $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$ 的结构特征。 1. **关于x轴对称
方程中 $y$ 只以 $y^2$ 形式出现。将 $y$ 换成 $-y$,方程不变。 2. 关于y轴对称:方程中 $x$ 只以 $x^2$ 形式出现。将 $x$ 换成 $-x$,方程不变。 3. 关于原点对称:同时换 $x \to -x, y \to -y$,方程不变。 核心逻辑:方程中变量的奇偶性决定了对称性。这是解析几何中判断曲线对称性的通用法则。
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练一道
基础题
已知椭圆 $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$ ($a>b>0$),点 $P(x_0, y_0)$ 在椭圆上。 (1) 证明:点 $P$ 关于y轴的对称点 $P'$ 也在椭圆上; (2) 若 $P$ 在第一象限,求线段 $PP'$ 的中点坐标,并说明该中点在什么曲线上。
试试手自己判
检测题
已知椭圆 $E: \frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{4} = 1$。 (1) 若点 $A(2, \frac{2\sqrt{5}}{3})$ 在椭圆上,求点 $A$ 关于y轴的对称点 $B$ 的坐标; (2) 求线段 $AB$ 的中点 $M$ 的坐标,并判断点 $M$ 是否在椭圆 $E$ 上。
看答案和判分标准
答案:(1) $B(-2, \frac{2\sqrt{5}}{3})$ (2) $M(0, \frac{2\sqrt{5}}{3})$,点 $M$ 不在椭圆上。
判对标准:
1. 正确写出 $B$ 的坐标,横坐标变号,纵坐标不变。(2分)
2. 正确计算中点 $M$ 的坐标,横坐标为0,纵坐标不变。(2分)
3. 正确判断 $M$ 不在椭圆上,并给出理由:将 $M$ 代入方程左边得 $\frac{0}{9} + \frac{(2\sqrt{5}/3)^2}{4} = \frac{20/9}{4} = \frac{5}{9} \neq 1$。(3分)
4. 若学生仅回答“在”或“不在”而无计算过程,不得分。
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