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5.3 参数法

圆锥曲线的统一定义、性质与综合应用 · 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 用参数 $t$ 表示曲线上点的坐标 $(x(t), y(t))$,从而建立点与参数一一对应的方程组。

从哪来 直接建立在 4.1 参数方程 的基础之上,并需结合 8.1 定义与方程 理解普通方程与参数方程的互化关系。

为什么 普通方程 $F(x,y)=0$ 往往难以直接处理动点轨迹中的几何关系(如距离、斜率、角度)。参数法引入中间变量 $t$,将二维几何问题降维为一维代数问题。通过 $t$ 的几何意义(如斜率、角度、时间),可以将复杂的“点-线-面”位置关系转化为关于 $t$ 的函数最值或方程根的问题,简化运算并揭示几何本质。

适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生** **核心:代数消元与几何意义的统一** 1. **引入
从直线 $x=x_0+t\cos\alpha, y=y_0+t\sin\alpha$ 入手。强调 $t$ 的几何意义是“有向距离”,$\alpha$ 是倾斜角。 2. 推导:展示如何消去 $t$ 得到普通方程,再反过来,当普通方程难以处理时(如椭圆 $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$),引入 $x=a\cos\theta, y=b\sin\theta$。 3. 对比:对比直接联立直线与圆锥曲线(涉及二次方程求根公式,计算量大)与参数法(利用韦达定理或三角恒等变换,计算量小)的区别。 4. 结论:参数法本质是“换元”,将坐标变量替换为具有明确几何意义的参数,从而简化代数结构。
适合:空间想象力强、偏好几何直观的学生** **核心:动态视角与轨迹追踪** 1. **引入
想象一个质点在曲线上运动。普通方程是“终点集合”,参数方程是“运动轨迹”。 2. 演示:以圆 $x^2+y^2=r^2$ 为例,画出一个旋转半径。参数 $\theta$ 就是旋转角度。$x=r\cos\theta$ 是投影,$y=r\sin\theta$ 是投影。 3. 迁移:椭圆可以看作圆的仿射变换。参数 $\theta$ 是离心角(注意不是真极角)。 4. 应用:当题目涉及“动点”、“中点”、“弦长”时,引导学生在脑海中构建“参数驱动”的动态画面,而不是静态的坐标点。
适合:基础薄弱、畏惧复杂计算的学生** **核心:工具化与模板应用** 1. **痛点
直接联立直线与圆锥曲线,解出 $x_1, x_2$ 极其繁琐,容易算错。 2. 工具:给出“参数法万能模板”。 - 直线过点 $(x_0, y_0)$,斜率为 $k$:设 $x=x_0+t, y=y_0+kt$。 - 圆锥曲线:设 $x=a\cos\theta, y=b\sin\theta$。 3. 步骤: - 第一步:写出参数方程。 - 第二步:代入曲线方程。 - 第三步:利用韦达定理 $t_1+t_2, t_1t_2$ 或三角公式化简。 - 第四步:回代求值。 4. 强调:不需要理解深层原理,只需记住“什么时候用哪个参数”,机械执行即可得分。
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练一道
基础题
已知直线 $l$ 过点 $P(1, 2)$,倾斜角为 $45^\circ$,与圆 $C: x^2 + y^2 = 4$ 交于 $A, B$ 两点。求 $|PA| \cdot |PB|$。
变式
已知椭圆 $C: \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$,点 $M(1, 0)$。过点 $M$ 作两条互相垂直的直线 $l_1, l_2$,分别交椭圆于 $A, B$ 和 $C, D$ 两点。求 $\frac{1}{|AB|} + \frac{1}{|CD|}$ 的值。
试试手自己判
检测题
直线 $l$ 过点 $P(0, 1)$,倾斜角为 $60^\circ$,与抛物线 $y^2 = 4x$ 交于 $A, B$ 两点。求 $|PA| + |PB|$。
看答案和判分标准
答案:$4\sqrt{3}$
判对标准:
1. 正确写出直线参数方程:$x = \frac{1}{2}t, y = 1 + \frac{\sqrt{3}}{2}t$。
2. 正确代入抛物线方程并整理:$(1 + \frac{\sqrt{3}}{2}t)^2 = 4(\frac{1}{2}t) \Rightarrow 3t^2 + 4t - 4 = 0$。
3. 正确利用韦达定理:$t_1 + t_2 = -\frac{4}{3}, t_1 t_2 = -\frac{4}{3}$。
4. 正确判断 $t_1, t_2$ 异号(因为 $t_1 t_2 < 0$),从而 $|PA| + |PB| = |t_1| + |t_2| = |t_1 - t_2|$。
5. 正确计算 $|t_1 - t_2| = \sqrt{(t_1+t_2)^2 - 4t_1t_2} = \sqrt{\frac{16}{9} + \frac{16}{3}} = \sqrt{\frac{64}{9}} = \frac{8}{3}$。
*等等,这里需要重新检查计算*。

重新计算:
方程:$3t^2 + 4t - 4 = 0$
$t_1 + t_2 = -4/3$
$t_1 t_2 = -4/3$
$|PA| + |PB| = |t_1| + |t_2|$。因为 $t_1 t_2 < 0$,所以 $t_1, t_2$ 异号。
$|t_1| + |t_2| = |t_1 - t_2| = \sqrt{(t_1+t_2)^2 - 4t_1t_2} = \sqrt{(-4/3)^2 - 4(-4/3)} = \sqrt{16/9 + 16/3} = \sqrt{16/9 + 48/9} = \sqrt{64/9} = 8/3$。

再次检查题目:
抛物线 $y^2 = 4x$,焦点 $(1,0)$,准线 $x=-1$。
点 $P(0,1)$ 在抛物线上吗?$1^2 = 1 \neq 4(0)$,不在。
直线 $y = \sqrt{3}x + 1$。
代入 $y^2 = 4x$: $(\sqrt{3}x+1)^2 = 4x \Rightarrow 3x^2 + 2\sqrt{3}x + 1 = 4x \Rightarrow 3x^2 + (2\sqrt{3}-4)x + 1 = 0$。
这个解法更复杂。

回到参数法:
$x = t \cos 60^\circ = t/2$
$y = 1 + t \sin 60^\circ = 1 + \sqrt{3}t/2$
代入 $y^2 = 4x$:
$(1 + \sqrt{3}t/2)^2 = 4(t/2) = 2t$
$1 + \sqrt{3}t + 3t^2/4 = 2t$
$3t^2/4 - \sqrt{3}t + 1 = 0$
$3t^2 - 4\sqrt{3}t + 4 = 0$
$\Delta = (4\sqrt{3})^2 - 4(3)(4) = 48 - 48 = 0$。
判别式为0! 说明直线与抛物线相切?
检查:$y = \sqrt{3}x + 1$。
$y' = 2/y$。在切点处 $y = \sqrt{3}x+1$。
$2/y = \sqrt{3} \Rightarrow y = 2/\sqrt{3}$。
$x = y^2/4 = 4/3 / 4 = 1/3$。
检查点 $(1/3, 2/\sqrt{3})$ 是否在直线上:
$\sqrt{3}(1/3) + 1 = 1/\sqrt{3} + 1 = (1+\sqrt{3})/\sqrt{3} \neq 2/\sqrt{3}$。

哪里出错了?
$y = 1 + \frac{\sqrt{3}}{2}t$
$y^2 = 1 + \sqrt{3}t + \frac{3}{4}t^2$
$4x = 4(\frac{1}{2}t) = 2t$
$1 + \sqrt{3}t + \frac{3}{4}t^2 = 2t$
$\frac{3}{4}t^2 + (\sqrt{3}-2)t + 1 = 0$
$3t^2 + (4\sqrt{3}-8)t + 4 = 0$
$\Delta = (4\sqrt{3}-8)^2 - 48 = 48 - 64\sqrt{3} + 64 - 48 = 64 - 64\sqrt{3} < 0$。
无实数解! 直线与抛物线不相交。
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