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5.3 焦点弦的性质

抛物线的定义、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 过双曲线一个焦点的直线与双曲线两分支(或同支)相交形成的线段,具有特定的长度极值与几何性质。

从哪来 本知识点建立在 4.1 焦半径公式 和 5.2 弦长公式 之上,同时依赖于 3.3 顶点与离心率 对双曲线形状参数的界定。

为什么 焦点弦的本质是“焦半径之和/差”的几何化。 1. 代数根源:根据焦半径公式 $|PF_1| = |ex \pm a|$,当直线过焦点时,交点横坐标 $x_1, x_2$ 满足特定关系。 2. 几何根源:双曲线定义 $||PF_1| - |PF_2|| = 2a$。焦点弦 $AB$ 若过左焦点 $F_1$,则 $|AB| = |AF_1| + |BF_1|$(异支)或 $||AF_1| - |BF_1||$(同支)。 3. 极值原理:当直线垂直于实轴时,弦长最短(通径),此时 $x$ 坐标固定为 $\pm c$,代入方程可得最小值 $2b^2/a$。随着倾斜角增大,弦长趋向无穷大(渐近线方向)。

【代数推导法】** **适合学生
逻辑严密、擅长计算、对几何直觉较弱的学生。 步骤: 1. 设直线方程 $x = my + c$(涵盖斜率不存在情况)。 2. 联立双曲线方程 $\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1$,消去 $x$ 得到关于 $y$ 的一元二次方程。 3. 利用韦达定理 $y_1 + y_2, y_1 y_2$。 4. 代入弦长公式 $|AB| = \sqrt{1+m^2}|y_1 - y_2|$。 5. 化简得到 $|AB| = \frac{2b^2(1+m^2)}{|a^2 - b^2 m^2|}$(注意分母符号取决于交点在同支还是异支)。 核心结论:通过代数式直接看出,当 $m=0$(垂直实轴)时,分子最小,分母绝对值最大(若异支)或最小(若同支),从而确定极值。
【几何定义法】** **适合学生
空间想象力强、喜欢直观理解、计算能力一般的学生。 步骤: 1. 回顾双曲线第一定义:$||PF_1| - |PF_2|| = 2a$。 2. 画出焦点弦 $AB$ 过左焦点 $F_1$。 3. 异支情况:$A$ 在左支,$B$ 在右支。$|AB| = |AF_1| + |BF_1|$。由定义 $|AF_1| = |AF_2| - 2a$,$|BF_1| = |BF_2| + 2a$。此路较绕,改用焦半径公式更直观:$|AF_1| = -(ex_A + a)$,$|BF_1| = ex_B + a$。 4. 同支情况:$A, B$ 均在左支。$|AB| = ||AF_1| - |BF_1||$。 5. 极值判断:画图观察,当 $AB \perp x$ 轴时,弦最短。此时 $A, B$ 关于 $x$ 轴对称,纵坐标为 $\pm \frac{b^2}{a}$,故 $|AB| = \frac{2b^2}{a}$。 核心结论:通径(垂直实轴的焦点弦)是焦点弦中的“最短弦”(针对异支)或特定极值(针对同支需结合渐近线分析)。
【参数方程法】** **适合学生
基础扎实、希望掌握通法、准备应对复杂题目的学生。 步骤: 1. 使用双曲线参数方程:$x = a \sec \theta, y = b \tan \theta$。 2. 焦点 $F(c, 0)$。设直线倾斜角为 $\alpha$。 3. 利用极坐标方程(以焦点为极点):$\rho = \frac{ep}{1 - e \cos \theta}$ 或类似形式(需推导)。 4. 对于双曲线,焦半径极坐标方程为 $\rho = \frac{b^2/a}{1 \pm e \cos \theta}$。 5. 焦点弦长 $L = \rho_1 + \rho_2$(异支)或 $|\rho_1 - \rho_2|$(同支)。 6. 代入 $\theta$ 和 $\theta + \pi$,化简得到 $L = \frac{2b^2/a}{|1 - e^2 \cos^2 \theta|}$。 核心结论:分母 $|1 - e^2 \cos^2 \theta|$ 的最大值决定了弦长的最小值。因为 $e > 1$,当 $\cos \theta = 0$(即 $\theta = 90^\circ$,垂直实轴)时,分母为 1,此时分母最大(相对于其他角度导致的分母变小甚至变号),从而弦长取得极值。
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练一道
基础题
已知双曲线 $\frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{12} = 1$,过右焦点 $F_2$ 的直线交双曲线于 $A, B$ 两点,且 $A, B$ 在双曲线的同一支上。求 $|AB|$ 的最小值。
变式
已知双曲线 $\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1 (a>0, b>0)$ 的离心率 $e=2$,过左焦点 $F_1$ 的直线交双曲线左支于 $A, B$ 两点,若 $|AF_1| = 2|BF_1|$,求 $|AB|$ 的值。
试试手自己判
检测题
双曲线 $\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{16} = 1$ 的右焦点为 $F$,过 $F$ 的直线交双曲线右支于 $A, B$ 两点。若 $|AF| = 3|BF|$,求 $|AB|$ 的长度。
看答案和判分标准
答案:$\frac{64}{9}$
判对标准:
1. 正确识别 $a=3, b=4, c=5, e=5/3$。
2. 正确判断 $A, B$ 在同支,故 $|AB| = |AF| - |BF| = 2|BF|$。
3. 利用极坐标或焦半径比例关系,正确解出 $\cos \theta$ 或直接利用公式 $|AB| = \frac{2b^2}{a} \cdot \frac{k}{1+k^2}$ 类推导(此处 $k$ 为比例相关参数)。
具体推导:
$|AF| = \frac{b^2/a}{|1 - e \cos \theta|}, |BF| = \frac{b^2/a}{|1 + e \cos \theta|}$
$|AF| = 3|BF| \Rightarrow \frac{1}{|1 - e \cos \theta|} = \frac{3}{|1 + e \cos \theta|}$
$|1 + e \cos \theta| = 3 |1 - e \cos \theta|$
解得 $\cos \theta = \frac{2}{4e} = \frac{1}{2e}$ 或 $\cos \theta = \frac{4}{2e} > 1$ (舍)。
$\cos \theta = \frac{1}{2(5/3)} = \frac{3}{10}$。
$|BF| = \frac{16/3}{|1 + \frac{5}{3} \cdot \frac{3}{10}|} = \frac{16/3}{|1 + 1/2|} = \frac{16/3}{3/2
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