抛物线中一类动直线过定点的问题

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  笔者近日拜读了王云峰老师的《浅谈动曲线过定点问题》一文。文章中所采用的“特殊到一般”的数学思想将解析几何中繁难的动曲线过定点问题简化为猜想证明,从而快速解决问题。笔者经过反复研读,认为这种解题思想大有触类旁通的作用,再联想以往教学中出现的几个典型问题,来浅谈一下“抛物线中一类过定点问题”。
  先来看一个经典的问题:
  问题1:O是直角笔者近日拜读了王云峰老师的《浅谈动曲线过定点问题》一文。文章中所采用的“特殊到一般”的数学思想将解析几何中繁难的动曲线过定点问题简化为猜想证明,从而快速解决问题。笔者经过反复研读,认为这种解题思想大有触类旁通的作用,再联想以往教学中出现的几个典型问题,来浅谈一下“抛物线中一类过定点问题”。
  先来看一个经典的问题:
  问题1:O是直角坐标原点,A、B是抛物线y2=2px(p>0)上不同两点,且OA⊥OB,求证:動直线AB过定点。
  我们先找到定点的位置,然后再验证。设直线OA、OB的斜率分别为k1、k2。
  ①当k1→+∞时,则k2→0(k1· k2=-1),此时点A趋于原点O,点B趋于无穷远处,直线AB的极限位置就是x轴(也可由对称性得出),这样我们有理由认为定点就在x轴上;② 取直线OA的斜率k1=1,则直线OB的斜率k2=-1,此时直线AB的方程为x=2p。这样可以猜测直线AB所过定点为M(2p,0)。下面再来验证。
  将直线OA的方程y=k1x与抛物线y2=2px联立易得,
  ,
  同理
  ∴与共线,即直线AB过定点为M(2p,0)。
  探究:问题1中的条件OA⊥OB是从斜率角度考虑(k1k2=-1),那么如改成k1k2=1,其他它条件不变,直线AB是否也过定点呢?我们可取k1=k2=1,此时直线AB就是在点(2p,2p)处的切线,对抛物线方程y2=2px求导得:,所以切线斜率为,切线方程为:,令y=0得x=-2p,
  此时猜测直线AB过定点M(-2p,0),(验证同上略)。
  条件直线OA和OB的斜率之积是特定的常数,那么我们大胆的猜想“当OA和OB的斜率之积是任意的常数时,直线AB也过x轴上一个定点”。
  问题2.:A、B是抛物线y2=2px上不同两点,O是抛物线的顶点,直线OA、OB的斜率分别为k1、k2,当k1·k2=λ(不为零的常数)时,直线AB是否过定点。
  可取k1=1、k2=λ,由问题1可知A(2p,2p)、,
  此时,
  直线AB的方程为
  令y=0得:,猜测直线AB过定点。验证如下:
  ,
  同理
  ∴与共线,即直线AB过定点为。
  上面问题是把抛物线上的定点放在特殊位置——坐标原点,那么我们猜测抛物线上任意一定点是否也有此类特性呢?这样提出以下问题。
  问题3:A、B是抛物线y2=2px上不同两点,P是抛物线上的定点,直线PA、PB的斜率分别为k1、k2,当k1·k2=λ(不为零的常数)时,直线AB是否过定点。
  我们仍用上面的思考方法进行探究,设A(x1,y1),B(x2,y2),P(x0,y0)
  当k1→+∞时,则k2→0(k1·k2=λ),
  此时点A趋于点P′(x0,-y0),点B趋于无穷远处,
  此时AB的极限位置就是y=-y0轴,这样我们有理由认
  为直线AB如过定点,那么就该在直线y=-y0上。然后再取一组特殊位置(比如k1=1,k2=λ)就可以确定定点位置,但也可以验证动直线与直线y=-y0的交点横坐标是否是一个定值。将直线PA的方程y-y0=k1(x-x0)与抛物线y2=2px联立得:。
  由韦达定理得:
  ,
  同理。
  ,
  ∴直线AB的方程为,令y=-y0得:
  故直线AB是否过定点
  经过对问题3的探究得到结论“A、B是抛物线y2=2px上不同两点,P(x0,y0)是抛物线上的定点,直线PA、PB的斜率分别为k1、k2,当k1·k2=λ(不为零的常数)时,直线AB过定点”。
  上述在探究问题的过程中,我尝试运用的《浅谈动曲线过定点问题》一文的思想方法,沿着“特殊到一般”的思考路径,寻求问题的关键点,最终使问题得到解决。坐标原点,A、B是抛物线y2=2px(p>0)上不同两点,且OA⊥OB,求证:动直线AB过定点。
  我们先找到定点的位置,然后再验证。设直线OA、OB的斜率分别为k1、k2。
  ①当k1→+∞时,则k2→0(k1· k2=-1),此时点A趋于原点O,点B趋于无穷远处,直线AB的极限位置就是x轴(也可由对称性得出),这样我们有理由认为定点就在x轴上;② 取直线OA的斜率k1=1,则直线OB的斜率k2=-1,此时直线AB的方程为x=2p。这样可以猜测直线AB所过定点为M(2p,0)。下面再来验证。
  将直线OA的方程y=k1x与抛物线y2=2px联立易得,
  ,
  同理
  ∴与共线,即直线AB过定点为M(2p,0)。
  探究:问题1中的条件OA⊥OB是从斜率角度考虑(k1k2=-1),那么如改成k1k2=1,其他它条件不变,直线AB是否也过定点呢?我们可取k1=k2=1,此时直线AB就是在点(2p,2p)处的切线,对抛物线方程y2=2px求导得:,所以切线斜率为,切线方程为:,令y=0得x=-2p,
  此时猜测直线AB过定点M(-2p,0),(验证同上略)。
  条件直线OA和OB的斜率之积是特定的常数,那么我们大胆的猜想“当OA和OB的斜率之积是任意的常数时,直线AB也过x轴上一个定点”。
  问题2.:A、B是抛物线y2=2px上不同两点,O是抛物线的顶点,直线OA、OB的斜率分别为k1、k2,当k1·k2=λ(不为零的常数)时,直线AB是否过定点。
  可取k1=1、k2=λ,由问题1可知A(2p,2p)、,
  此时,
  直线AB的方程为
  令y=0得:,猜测直线AB过定点。验证如下:
  ,
  同理
  ∴与共线,即直线AB过定点为。
  上面问题是把抛物线上的定点放在特殊位置——坐标原点,那么我们猜测抛物线上任意一定点是否也有此类特性呢?这样提出以下问题。
  问题3:A、B是抛物线y2=2px上不同两点,P是抛物线上的定点,直线PA、PB的斜率分别为k1、k2,当k1·k2=λ(不为零的常数)时,直线AB是否过定点。
  我们仍用上面的思考方法进行探究,设A(x1,y1),B(x2,y2),P(x0,y0)
  当k1→+∞时,则k2→0(k1·k2=λ),
  此時点A趋于点P′(x0,-y0),点B趋于无穷远处,
  此时AB的极限位置就是y=-y0轴,这样我们有理由认
  为直线AB如过定点,那么就该在直线y=-y0上。然后再取一组特殊位置(比如k1=1,k2=λ)就可以确定定点位置,但也可以验证动直线与直线y=-y0的交点横坐标是否是一个定值。将直线PA的方程y-y0=k1(x-x0)与抛物线y2=2px联立得:。
  由韦达定理得:
  ,
  同理。
  ,
  ∴直线AB的方程为,令y=-y0得:
  故直线AB是否过定点
  经过对问题3的探究得到结论“A、B是抛物线y2=2px上不同两点,P(x0,y0)是抛物线上的定点,直线PA、PB的斜率分别为k1、k2,当k1·k2=λ(不为零的常数)时,直线AB过定点”。
  上述在探究问题的过程中,我尝试运用的《浅谈动曲线过定点问题》一文的思想方法,沿着“特殊到一般”的思考路径,寻求问题的关键点,最终使问题得到解决。
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