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7.2 定点定值问题

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 在圆锥曲线中,动点轨迹上的点满足特定几何关系,导致某直线过定点或某线段长度/斜率为定值。

从哪来 本知识点建立在 4.1 焦半径公式、5.2 弦长公式、6.1 定义法 及 6.2 待定系数法 之上。利用焦半径和弦长公式处理几何量,利用定义法和待定系数法构建方程组求解参数。

为什么 圆锥曲线具有严格的代数对称性和几何不变性。当动点 $P$ 在曲线上运动时,其坐标 $(x,y)$ 满足曲线方程 $F(x,y)=0$。若某几何量(如斜率 $k$、长度 $L$、交点坐标)与动点位置无关,说明该量在代数化简过程中,含参变量(如斜率 $k$ 或参数 $t$)的项相互抵消或提取出公因式后剩余常数。这种“消参”或“分离变量”的代数结构,在几何上表现为轨迹的“固定性”,即定点或定值。

代数硬算流(适合计算能力强、逻辑严密的学生)** 1. **设而不求
设直线方程 $y=kx+m$(或 $x=my+n$),联立曲线方程。 2. 韦达定理:利用 $\Delta > 0$ 和 $x_1+x_2, x_1x_2$ 表达几何量。 3. 消参:将目标量(如斜率乘积、长度和)用 $k, m$ 表示,代入曲线方程约束条件,消去 $k$ 或 $m$,证明结果为常数。 4. 定点:若直线过定点,则直线方程可整理为 $y-y_0 = k(x-x_0)$ 形式,或令 $k$ 的系数为0解出定点坐标。 *核心口诀:设直线、联立方、韦达代、消参数。*
几何定义流(适合几何直觉好、想减少计算量的学生)** 1. **识别模型
观察题目是否涉及焦点、准线、中点或特殊角(如 $90^\circ$)。 2. 利用定义: - 若涉及焦点,优先使用 4.1 焦半径公式 $|PF| = ex \pm a$(椭圆/双曲线)或 $|PF|=ex$(抛物线)。 - 若涉及中点,利用中点弦性质或点差法。 3. 几何转化:将“定值”转化为“距离不变”或“角度不变”。例如,证明 $|PA|+|PB|$ 为定值,往往转化为焦点定义。 4. 验证特例:取特殊位置(如顶点、短轴端点)快速求出定值,再用一般位置验证。 *核心口诀:看焦点、用定义、找特殊、验一般。*
参数方程流(适合喜欢统一视角、避免分类讨论的学生)** 1. **参数化
将曲线方程转化为参数方程。 - 椭圆:$x=a\cos\theta, y=b\sin\theta$ - 双曲线:$x=a\sec\theta, y=b\tan\theta$ 或 $x=a\cosh t, y=b\sinh t$ - 抛物线:$x=2pt^2, y=2pt$ 2. 代入目标:将几何量(斜率、距离)用参数 $\theta$ 或 $t$ 表示。 3. 三角/代数恒等:利用三角恒等式(如 $\sin^2+\cos^2=1$)或代数变形,证明表达式与参数无关。 4. 定点:若直线过定点,参数方程代入直线方程,整理为 $A(\theta) + B(\theta) \cdot k = 0$ 形式,解出定点。 *核心口诀:换参数、代公式、用恒等、得定值。*
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练一道
基础题
已知椭圆 $C: \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,点 $A(2,0)$ 为右顶点,过左焦点 $F_1(-1,0)$ 的直线 $l$ 交椭圆于 $P, Q$ 两点。求 $\overrightarrow{OP} \cdot \overrightarrow{OQ}$ 的值。
变式
已知椭圆 $C: \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,点 $A(-2,0)$ 为左顶点。过点 $T(4,0)$ 的直线 $l$ 交椭圆于 $P, Q$ 两点。证明:直线 $AP$ 与 $AQ$ 的斜率之积为定值。
试试手自己判
检测题
已知双曲线 $C: \frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{5} = 1$,左右焦点分别为 $F_1, F_2$。过 $F_1$ 的直线 $l$ 交双曲线左支于 $A, B$ 两点。求 $\frac{1}{|AF_1|} + \frac{1}{|BF_1|}$ 的值。
看答案和判分标准
答案:$\frac{1}{2}$
判对标准:
1. 正确识别双曲线参数 $a=2, b=\sqrt{5}, c=3$。
2. 正确应用双曲线焦半径公式或代数推导。
- 若用代数法:设 $x=my-3$,联立得 $(5m^2-4)y^2 - 30my - 45 = 0$。
- $y_1+y_2 = \frac{30m}{5m^2-4}, y_1y_2 = \frac{-45}{5m^2-4}$。
- $|AF_1| = -(ex_1+a) = -(\frac{3}{2}x_1+2)$ (注意左支焦半径公式为 $a+ex$ 的相反数? 不,左支上点 $x<0$, $|PF_1| = a+ex$ 是错的,应为 $|PF_1| = -(a+ex)$? 不对。
- 双曲线左支点 $P(x,y)$, $|PF_1| = a+ex$ 是错误的。定义: $|PF_1| - |PF_2| = -2a$。
- 焦半径公式:左支上点 $P$, $|PF_1| = a+ex$ (若 $F_1$ 为左焦点, $x<0$, $ex<0$, $a+ex$ 可能为负? 不, $|PF_1| = -(a+ex)$?
- 正确公式:对于双曲线 $\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1$,左焦点 $F_1(-c,0)$。
左支上点 $P(x,y)$ ($x \le -a$), $|PF_1| = a+ex$ 是错的。
推导: $|PF_1| = \sqrt{(x+c)^2+y^2}$。
由 $b^2x^2 - a^2y^2 = a^2b^2 \Rightarrow y^2 = \frac{b^2}{a^2}(x^2-a^2)$。
$|PF_1|^2 = x^2+2cx+c^2 + \frac{b^2}{a^2}x^2 - b^2 = x^2(1+\frac{b^2}{a^2}) + 2cx + c^2 - b^2 = e^2x^2 + 2cx + a^2 = (ex+a)^2$。
因为 $x \le -a$, $ex \le -ae = -c$, $ex+a \le a-c < 0$。
所以 $|PF_1| = -(ex+a) = -ex-a$。
- 回到题目: $|AF_1| = -e x_1 - a = -\frac{3}{2}x_1 - 2$。
- 直线 $x = my-3$。 $|AF_1| = -\frac{3}{2}(my_1-3) - 2 = -\frac{3}{2}my_1 + \frac{9}{2} - 2 = \frac{9}{2} - \frac{3}{2}my_1 = \frac{3}{2}(3-my_1)$。
- 同理 $|BF_1| = \frac{3}{2}(3-my_2)$。
- $\frac{1}{|AF_1|} + \frac{1}{|BF_1|} = \frac{2}{3} \left( \frac{1}{3-my_1} + \frac{1}{3-my_2} \right) = \frac{2}{3} \frac{6-m(y_1+y_2)}{9 - 3m(y_1+y_2) + m^2y_1y_2}$。
- 代入韦达:
$y_1+y_2 = \frac{30m}{5m^2-4}, y_1y_2 = \frac{-45}{5m^2-4}$。
分子 $6-m(\frac{30m}{5m^2-4}) = \frac{6(5m^2-4)-30m^2}{5m^2-4} = \frac{30m^2-24-30m^2}{5m^2-4} = \frac{-24}{5m^2-4}$。
分母 $9 - 3m(\frac{30m}{5m^2-4}) + m^2(\frac{-45}{5m^2-4}) = \frac{9(5m^2-4) - 90m^2 - 45m^2}{5m^2-4} = \frac{45m^2-36-135m^2}{5m^2-4} = \frac{-90m^2-36}{5m^2-4}$。
比值 $\frac{-24}{-90m^2-36}$。
这里似乎不是定值?
*检查*:双曲线过焦点的弦,焦半径倒数和是否为定值?
对于椭圆,是定值 $\frac{2}{p}$。
对于双曲线,过焦点的弦, $\frac{1}{|AF_1|} + \frac{1}{|BF_1|}$ 不是定值。
*修正检测题*:
正确检测题:已知双曲线 $C: \frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{5} = 1$,过右焦点 $F_2(3,0)$ 的直线 $l$ 交双曲线右支于 $A, B$ 两点。求 $\frac{1}{|AF_2|} + \frac{1}{|BF_2|}$ 的值。
*同样,双曲线过焦点弦的焦半径倒数和不是定值。*

*换一个真正的定值题*:
检测题:已知椭圆 $C: \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,点 $P$ 是椭圆上任意一点,$F_1, F_2$ 是左右焦点。求 $\frac{1}{|PF_1|} + \frac{1}{|PF_2|}$ 的最大值。
*这是最值,不是定值。*

*再换一个*:
检测题:已知抛物线 $C: y^2 = 4x$,焦点 $F(1,0)$。过 $F$ 的直线交 $C$ 于 $A, B$。求 $\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB}$ 的值。
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