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圆锥曲线是平面解析几何的重要曲线,其性质是历年高考考查的重点,尤其是它的焦点弦不仅优美而且和谐.
性质1 AB和CD是过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0,c2=a2-b2,c>0)右焦点F2(c,0)的两条弦,以弦AB和CD为直径的圆的公共弦为EF,
则直线EF过定点1+b22a2·c,0
证明:设LAB∶x-my+c与椭圆方程联立x=my+cx2a2+y2b2=1
可得(a2+b2m2)y2+2b2cmy-b4=0,根据韦达定理
yA+yB=-2b2cma2+b2m2,yAyB=-b4a2+b2m2=
xA+xB=m(yA+yB)+2c=2a2ca2+b2m2,
xAxB=(myA+c)(myB+c)=m2yAyB+cm(yA+yB)+c2
=a2c2-a2b2m2a2+b2m2,
设LCD∶x=ny+c,同理可得
yC+yD=-2b2cna2+b2n2,yCyD=-b4a2+b2n2,
xC+xD=n(yC+yD)+2c=2a2ca2+b2n2,
xCxD=n(yC+c)(nyD+c)=n2yCyD+cn(yC+yD)+c2
=a2c2-a2b2n2a2+b2n2,
以AB为直径的圆的方程:
(x-xA)(x-xB)+(y-yA)(y-yB)=0 (1)
以CD为直径的圆的方程:
(x-xC)(x-xD)+(y-yC)(y-yD)=0 (2)
(1)-(2)可得两圆公共弦EF的方程为:
x[(xC+xD)-(xA+xB)]+y[(yC+yD)-(yA+yB)]+xAxB+yAyB-xCxD-yCyD=0
x2a2ca2+b2n2-2a2ca2+b2m2+
y-2b2cma2+b2n2+2a2cma2+b2m2+
a2c2-a2b2m2a2+b2m2+-b4a2+b2m2-a2c2-a2b2n2a2+b2n2--b4a2+b2n2=0
x2a2ca2+b2n2-2a2ca2+b2m2+y[-2b2cna2+b2n2+2a2cma2+b2m2]
a2c2-a2b2m2-b4a2+b2m2+b4+a2b2n2-a2c2a2+b2n2=0
令 y=0
2a2b2cx(m2-n2)+(a2+b2n2)(a2c2-a2b2m2-b4)
+(a2+b2m2)(b4+a2b2n2-a2c2)=0
2a2b2cx(m2-n2)+a4c2-a4b2m2-a2b4+a2b2c2n2-a2b4m2n2-b6n2
+a2b4+a4b2n2-a4c2+b6m2+a2b4m2n2-a2b2c2m2=0
化简得
2a2b2cx(m2-n2)-a2b2m2+a2b2c2n2-b6n2+b6m2+a4b2n2-a2b2c2m2=0
2a2b2cx(m2-n2)+(n2-m2)(a2b2c2+a4b2-b6)=0
因为 m2≠n2
所以 x=a2c2+c2(a2+b2)2a2c=1+b22a2·c
既公共弦所在的直线EF始终过定点1+b22a2·c,0
同样可以证明:当弦过AB和CD过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)左焦点
F1(-c,0)时,直线EF始终过定点-1+b22a2·c,0
性质2 AB和CD是过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0,c2=a2-b2,c>0)右焦点
F2(c,0)且互相垂直的两条弦,E、F分别是弦AB和CD的中点,
则直线EF过定点a2ca2+b2,0
证明:当m≠0时
根据性质(1)的证明过程知
xE=xA+xB2=a2Ca2+b2m2,yE=yA+yB2=-b2cma2+b2m2,
所以E点的坐标为a2ca2+b2m2,-b2cma2+b2m2
同理F的坐标为a2ca2+b2n2,-b2cna2+b2n2
直线EF所在的方程是:y--b2cma2+b2m2=
-b2cma2+b2m2--b2cna2+b2n2a2ca2+b2m2-a2ca2+b2n2x-a2ca2+b2m2
y--b2cma2+b2m2=
(m-n)(a2-mnb2)a2(m2-n2)x-a2ca2+b2m2
令y=0,根据mn=-1
x=a2b2c(m2-1)(a2+b2m2)(a2+b2)+a2ca2+b2m2=a2b2cm2-a2b2c+a4c+a2b2c(a2+b2m2)(a2+b2)
=a2c(b2m2+a2)(a2+b2m2)(a2+b2)=a2ca2+b2
所以直线EF过定点a2ca2+b2,0
当mn=0时,其中一条弦为椭圆的长轴,另一条弦和x轴垂直,它们中点的连线为x轴,显然过定点a2ca2+b2,0
综上直线EF恒过定点a2ca2+b2,0
同样可以证明,当AB和CD是过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)左焦点
F1(-c,0)且互相垂直的两条弦,E、F分别是弦AB和CD的中点,
则直线EF过定点-a2ca2+b2,0
性质3 过抛物线y2=2px,(p>0)的焦点F作两条弦AB和CD, 以弦AB和CD为直径的圆的公共弦为EF,则直线EF过定点(0,0)
性质4 过抛物线y2=2px,(p>0)的焦点F作两条互相垂直的弦AB和CD, 弦AB和CD的中点分别为P、Q,则直线PQ过定点3p2,0
以上两个性质读者自己完成.
性质5 AB为过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0,c2=a2-b2,c>0)右焦点F的弦(不与对称轴垂直),弦AB的垂直平分线L与x轴交于G,垂足为E点,
则|AB||GF|=2e是定值(e为椭圆的离心率)
证明 设|AF|=m,|BF|=n,(m>n),由于点E是AB的中点,所以|FE|=m-n2
过A、B两点分别作椭圆右准线的垂线,垂足为 C、D,则|AC|=me,|bd|=ne,过B点做BH⊥AC,垂足为H,|AH|=m-ne
Rt△ABH∽Rt△GEF |AB||GF|=|AH||FE|=m-nem-n2=2e
由以上证明过程可以得到:
过圆锥曲线的焦点F任作一条与对称轴不垂直的弦,交圆锥曲线于A、B两点,弦AB的垂直平分线交焦点所在的对称轴于G点,则|AB||GF|=2e(e为圆锥曲线的离心率)
性质1 AB和CD是过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0,c2=a2-b2,c>0)右焦点F2(c,0)的两条弦,以弦AB和CD为直径的圆的公共弦为EF,
则直线EF过定点1+b22a2·c,0
证明:设LAB∶x-my+c与椭圆方程联立x=my+cx2a2+y2b2=1
可得(a2+b2m2)y2+2b2cmy-b4=0,根据韦达定理
yA+yB=-2b2cma2+b2m2,yAyB=-b4a2+b2m2=
xA+xB=m(yA+yB)+2c=2a2ca2+b2m2,
xAxB=(myA+c)(myB+c)=m2yAyB+cm(yA+yB)+c2
=a2c2-a2b2m2a2+b2m2,
设LCD∶x=ny+c,同理可得
yC+yD=-2b2cna2+b2n2,yCyD=-b4a2+b2n2,
xC+xD=n(yC+yD)+2c=2a2ca2+b2n2,
xCxD=n(yC+c)(nyD+c)=n2yCyD+cn(yC+yD)+c2
=a2c2-a2b2n2a2+b2n2,
以AB为直径的圆的方程:
(x-xA)(x-xB)+(y-yA)(y-yB)=0 (1)
以CD为直径的圆的方程:
(x-xC)(x-xD)+(y-yC)(y-yD)=0 (2)
(1)-(2)可得两圆公共弦EF的方程为:
x[(xC+xD)-(xA+xB)]+y[(yC+yD)-(yA+yB)]+xAxB+yAyB-xCxD-yCyD=0
x2a2ca2+b2n2-2a2ca2+b2m2+
y-2b2cma2+b2n2+2a2cma2+b2m2+
a2c2-a2b2m2a2+b2m2+-b4a2+b2m2-a2c2-a2b2n2a2+b2n2--b4a2+b2n2=0
x2a2ca2+b2n2-2a2ca2+b2m2+y[-2b2cna2+b2n2+2a2cma2+b2m2]
a2c2-a2b2m2-b4a2+b2m2+b4+a2b2n2-a2c2a2+b2n2=0
令 y=0
2a2b2cx(m2-n2)+(a2+b2n2)(a2c2-a2b2m2-b4)
+(a2+b2m2)(b4+a2b2n2-a2c2)=0
2a2b2cx(m2-n2)+a4c2-a4b2m2-a2b4+a2b2c2n2-a2b4m2n2-b6n2
+a2b4+a4b2n2-a4c2+b6m2+a2b4m2n2-a2b2c2m2=0
化简得
2a2b2cx(m2-n2)-a2b2m2+a2b2c2n2-b6n2+b6m2+a4b2n2-a2b2c2m2=0
2a2b2cx(m2-n2)+(n2-m2)(a2b2c2+a4b2-b6)=0
因为 m2≠n2
所以 x=a2c2+c2(a2+b2)2a2c=1+b22a2·c
既公共弦所在的直线EF始终过定点1+b22a2·c,0
同样可以证明:当弦过AB和CD过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)左焦点
F1(-c,0)时,直线EF始终过定点-1+b22a2·c,0
性质2 AB和CD是过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0,c2=a2-b2,c>0)右焦点
F2(c,0)且互相垂直的两条弦,E、F分别是弦AB和CD的中点,
则直线EF过定点a2ca2+b2,0
证明:当m≠0时
根据性质(1)的证明过程知
xE=xA+xB2=a2Ca2+b2m2,yE=yA+yB2=-b2cma2+b2m2,
所以E点的坐标为a2ca2+b2m2,-b2cma2+b2m2
同理F的坐标为a2ca2+b2n2,-b2cna2+b2n2
直线EF所在的方程是:y--b2cma2+b2m2=
-b2cma2+b2m2--b2cna2+b2n2a2ca2+b2m2-a2ca2+b2n2x-a2ca2+b2m2
y--b2cma2+b2m2=
(m-n)(a2-mnb2)a2(m2-n2)x-a2ca2+b2m2
令y=0,根据mn=-1
x=a2b2c(m2-1)(a2+b2m2)(a2+b2)+a2ca2+b2m2=a2b2cm2-a2b2c+a4c+a2b2c(a2+b2m2)(a2+b2)
=a2c(b2m2+a2)(a2+b2m2)(a2+b2)=a2ca2+b2
所以直线EF过定点a2ca2+b2,0
当mn=0时,其中一条弦为椭圆的长轴,另一条弦和x轴垂直,它们中点的连线为x轴,显然过定点a2ca2+b2,0
综上直线EF恒过定点a2ca2+b2,0
同样可以证明,当AB和CD是过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)左焦点
F1(-c,0)且互相垂直的两条弦,E、F分别是弦AB和CD的中点,
则直线EF过定点-a2ca2+b2,0
性质3 过抛物线y2=2px,(p>0)的焦点F作两条弦AB和CD, 以弦AB和CD为直径的圆的公共弦为EF,则直线EF过定点(0,0)
性质4 过抛物线y2=2px,(p>0)的焦点F作两条互相垂直的弦AB和CD, 弦AB和CD的中点分别为P、Q,则直线PQ过定点3p2,0
以上两个性质读者自己完成.
性质5 AB为过椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0,c2=a2-b2,c>0)右焦点F的弦(不与对称轴垂直),弦AB的垂直平分线L与x轴交于G,垂足为E点,
则|AB||GF|=2e是定值(e为椭圆的离心率)
证明 设|AF|=m,|BF|=n,(m>n),由于点E是AB的中点,所以|FE|=m-n2
过A、B两点分别作椭圆右准线的垂线,垂足为 C、D,则|AC|=me,|bd|=ne,过B点做BH⊥AC,垂足为H,|AH|=m-ne
Rt△ABH∽Rt△GEF |AB||GF|=|AH||FE|=m-nem-n2=2e
由以上证明过程可以得到:
过圆锥曲线的焦点F任作一条与对称轴不垂直的弦,交圆锥曲线于A、B两点,弦AB的垂直平分线交焦点所在的对称轴于G点,则|AB||GF|=2e(e为圆锥曲线的离心率)