利用点差法求解圆锥曲线中点弦问题
例1:求弦中点的轨迹方程
x 2y 2
+=1所截得的线段的中点,已知点M (4, 2) 是直线l 被椭圆求直线l 的方程。 369
22
解:设直线l 与椭圆交点为A (x 1, y 1), B (x 2, y 2) ,则有x 12+4y 12=36, x 2+4y 2=36,
两式相减,得:(x 1+x 2)(x 1-x 2)+4(y 1+y 2)(y 1-y 2)=0, 因为M (4, 2) 为AB 中点,所以有: x 1+x 2=8, 所以k AB =
y 1+y 2=4,
y 1-y 2-(x 1+x 2) 1
==-,
x 1-x 24(y 1+y 2) 2
1
故所求直线l 的方程为y -2=-(x -4) ,即x +2y -8=0 。
2
x 2y 2
=1内一点M (2, 1) 引一条弦,使弦被M 点平分,求这变式训练1、过椭圆+
164
条弦所在直线的方程。 (x +2y -4=0。)
y 2
=1,经过点M (1, 1) 能否作一条直线l ,使例2、存在性问题 已知双曲线x -2
2
l 与双曲线交于A 、B ,且点M 是线段AB 的中点。若存在这样的直线l ,求出它的方程,若不存在,说明理由。
策略:这是一道探索性习题,一般方法是假设存在这样的直线 ,然后验证它是
否满足题设的条件。本题属于中点弦问题,应考虑点差法或韦达定理。
解:设存在被点M 平分的弦AB ,且A (x 1, y 1) 、B (x 2, y 2)
则x 1+x 2=2,y 1+y 2=2
y y 2
x 1-1=1,x 2-2=1
22
2
2
2
两式相减,得
1y -y 2
(x 1+x 2)(x 1-x 2) -(y 1+y 2)(y 1-y 2) =0 ∴k AB =1=2
2x 1-x 2
故直线AB :y -1=2(x -1)
⎧y -1=2(x -1) ⎪
由⎨2y 2 消去y ,得2x 2-4x +3=0
x -=1⎪2⎩
∴ ∆=(-4) 2-4⨯2⨯3=-8
这说明直线AB 与双曲线不相交,故被点M 平分的弦不存在,即不存在这样的直线l 。
1
变式训练2: 已知双曲线x 2-y 2=1,过B (1,1)能否作直线l ,使l 与双曲线
2交于P ,Q 两点,且B 是线段PQ 的中点,这样的直线如果存在,求出它的方程;如果不存在,说明理由. (直线不存在)
例3平行弦中点轨迹,过定点弦中点轨迹
x 2
已知椭圆+y 2=1,求斜率为2的平行弦中点的轨迹方程.
2
解:
设弦的两个端点分别为P (x 1, y 1), Q (x 2, y 2),PQ 的中点为M (x , y ).
x 12x 222
+y 1=1,+y 22=1,则(1)(2) 22x 12-x 22
+(y 12-y 22)=0, (1)-(2)得:
2
∴
x 1+x 2y 1-y 2
+(y 1+y 2)=0. 2x 1-x 2
y 1-y 2
=2,∴x +4y =0. x 1-x 2
又x 1+x 2=2x , y 1+y 2=2y ,
弦中点轨迹在已知椭圆内,∴所求弦中点的轨迹方程为x +4y =0(在已知椭圆内).
y 2x 2
+=17525变式训练3-1已知椭圆, 求它的斜率为3的弦中点的轨迹方程。
x +y =0(-
55
3-2直线l :ax -y -(a +5)=0(a 是参数)与抛物线f :y =(x +1)的相交弦是AB ,则弦AB 的中点轨迹方程是 .(y =2x 2-7.)
x 2y 2
+=1
3-3过椭圆6436上一点P (-8,0)作直线交椭圆于Q 点,求PQ 中点
2
的轨迹方程。
(x +4) 2y 2
+=1
( 169 (x ≠-8) )
例4求曲线方程
x 2y 2
已知椭圆2+2=1(a >b >0)的一条准线方程是
a b
x =1,有一条倾斜角为
π⎛11⎫
的直线交椭圆于A 、B 两点,若AB 的中点为C -, ⎪,4⎝24⎭
求椭圆方程.
解:
x 12y 121
设A (x 1, y 1)、B (x 2, y 2),则x 1+x 2=-1, y 1+y 2=,且2+2=1,
2a b
x 22y 22
(1)2+2=1,(2)
a b
b 2(x 1+x 2)y 1-y 2x 12-x 22y 12-y 22b 2-1
=-2=-2⋅, (1)-(2)得:2=-2,∴
x 1-x 2a y 1+y 2a 1a b
2
∴1=k AB
y 1-y 22b 2
(3) ==2,∴a 2=2b 2,
x 1-x 2a
a 2
=1,∴a 2=c ,又(4) c
而a 2=b 2+c 2,(5) 由(3),(4),(5)可得a 2=
121
, b =, 24
x 2y 2
=1. ∴所求椭圆方程为+
1124
变式训练4 . 已知∆ABC 的三个顶点都在抛物线y 2=32x 上,其中A (2,8),且
∆ABC 的重心G 是抛物线的焦点,求直线BC 的方程.
(4x +y -40=0. ) 例5求直线斜率
已知椭圆
x 2y 2
+=1259
上不同的三点
A (1, x
)1y , ⎛
⎝9⎫
B (⎪4, 5⎭
, 2C 与焦x 点, F y (4, 0))的距离成等差数列. (1)求证:2
(2)若线段AC 的垂直平分线与x 轴的交点为T ,求直线BT 的斜率x 1+x 2=8;
k .
(1)证 (2)解:
略.
x 1+x 2=8,∴设线段AC 的中点为D (4, y 0).
x 12y 12x 22y 22
+=1,+=1,又A 、C 在椭圆上,∴(1)(2) 259259x 12-x 22y 12-y 22=-, (1)-(2)得:
259
∴
9(x 1+x 2)y 1-y 29836
. =-=-⋅=-
x 1-x 225y 1+y 2252y 025y 0
25y 025y 0
,∴直线DT 的方程为y -y 0=(x -4). 3636
∴直线DT 的斜率k DT =
9
-0
645⎛64⎫5令y =0,得x =,即T ,0⎪,∴直线BT 的斜率k ==
64425⎝25⎭4-25
例6、圆锥曲线上两点关于某直线对称问题
x 2y 2
=1,试确定的m 取值范围,使得对于直线y =4x +m ,椭圆上已知椭圆+
43
总有不同的两点关于该直线对称。
解:设P 1(x 1, y 1) ,P 2(x 2, y 2) 为椭圆上关于直线y =4x +m 的对称两点,P (x , y ) 为
弦P 1P 2的中点,则3x 1+4y 1=12,3x 2+4y 2=12 两式相减得,3(x 1-x 2) +4(y 1-y 2) =0
2
2
2
2
2
2
2
2
即3(x 1+x 2)(x 1-x 2) +4(y 1+y 2)(y 1-y 2) =0
x 1+x 2=2x ,y 1+y 2=2y ,
y 1-y 21
=-
x 1-x 24
∴y =3x 这就是弦P 1P 2中点P 轨迹方程。 它与直线y =4x +m 的交点必须在椭圆内
⎧y =3x ⎧x =-m 3
联立⎨,得⎨ 则必须满足y 2
4⎩y =4x +m ⎩y =-3m
322即(3m ) 2
41313
变式训练6 若抛物线C :y 2=x 上存在不同的两点关于直线l :y =m (x -3)对称,求实数m 的取值范围
. 综合性问题
例7、已知中心在原点,一焦点为F (0, ) 的椭圆被直线l :y =3x -2截得的弦
的中点的横坐标为
1
,求椭圆的方程。 2
(y 2x 2
解:设椭圆的方程为2+2=1,则a 2-b 2=50┅┅①
a b
设弦端点P (x 1, y 1) 、Q (x 2, y 2) ,弦PQ 的中点M (x 0, y 0) ,则
x 0=
11
,y 0=3x 0-2=- ∴x 1+x 2=2x 0=1,y 1+y 2=2y 0=-1 22
2
2
2
2
y x y x
又12+12=1,22+22=1 a b a b
两式相减得b 2(y 1+y 2)(y 1-y 2) +a 2(x 1+x 2)(x 1-x 2) =0 即-b 2(y 1-y 2) +a 2(x 1-x 2) =0
a 2y 1-y 2a 2
∴ 2=3┅┅② =∴
b x 1-x 2b 2
联立①②解得a 2=75,b 2=25
y 2x 2
=1 ∴所求椭圆的方程是+
7525
例8
x 2y 2
已知AB 是椭圆2+2=1(a >b >0)不垂直于x 轴的任意一条弦,
a b
P 是AB 的中点,O 为椭圆的中心. 求证:直线AB 和直线OP 的斜率之积是定值.
证明: 设A (x 1, y 1), B (x 2, y 2)且x 1≠x 2,
x 12y 12x 22y 22
则2+2=1,(1)2+2=1,(2) a b a b x 12-x 22y 12-y 22
(1)-(2)得:2=-2,
a b
b 2(x 1+x 2)b 2(x 1+x 2)y 1-y 2y 1-y 2
,∴k AB =. ∴=-2=-2
x 1-x 2x 1-x 2a y 1+y 2a y 1+y 2又k OP
x 2y 2⎛3⎫
+=1a >b >01, ⎪,F 1, F 2是椭圆C 的两个焦点,()例9. 已知椭圆C:a 2b 2经过M ⎝2⎭
y 1+y 2b 2b 21,∴k AB =-2⋅,∴k AB ⋅k OP =-2(定值) =
a x 1+x 2a k OP
且
MF 1+MF 2=4,O 为椭圆C 的中心。 (1)求椭圆 C的方程
(2)设P,Q 是椭圆C 上不同的两点,且O 为MPQ 的重心,试求MPQ 的面积 此题请学生讲解,这种方法不仅可以吸引学生听讲,也可增强学生数学表达能力。 解:(1)由椭圆的定义知2a =4, ∴a =2 ,
3x 2y 2
椭圆C 的方程为+2=1,带入点M (1, ) ,求得b 2=3
24b
x 2y 2
=1 故椭圆C :+
43
(2)当P , Q 在椭圆上时,不妨P (x 1, y 1), Q (x 2, y 2) ,则有
⎧⎪x 2⎪1+y 2
1=1⎨43(x 1+x 2)(x 1-x 2) =-(y 1+y 2)(y 1-y 2) ⎪x 222
,两式相减得⎪⎩4
+y 23=1
43 则
y 1-y 2=-3⨯x 1+x 2=-3⨯2x N 1
1x y =- 即k PQ =-,
1-x 24y 1+y 242N 2
2∴直线PQ 的方程为y +
34=-12(x +12) 即y =-1
2
x -1, ⎧
联立⎪y =-1⎨2x -122消去y 得x +x -2=0, ∴x =-2或x =1⎪x 2
⎩4
+y 3=1
不妨P (-2, 0), Q (1, -3139
2) ,由椭圆对称性知S ∆MPQ =2⨯2⨯3⨯2=2
.
利用点差法求解圆锥曲线中点弦问题
例1:求弦中点的轨迹方程
x 2y 2
+=1所截得的线段的中点,已知点M (4, 2) 是直线l 被椭圆求直线l 的方程。 369
22
解:设直线l 与椭圆交点为A (x 1, y 1), B (x 2, y 2) ,则有x 12+4y 12=36, x 2+4y 2=36,
两式相减,得:(x 1+x 2)(x 1-x 2)+4(y 1+y 2)(y 1-y 2)=0, 因为M (4, 2) 为AB 中点,所以有: x 1+x 2=8, 所以k AB =
y 1+y 2=4,
y 1-y 2-(x 1+x 2) 1
==-,
x 1-x 24(y 1+y 2) 2
1
故所求直线l 的方程为y -2=-(x -4) ,即x +2y -8=0 。
2
x 2y 2
=1内一点M (2, 1) 引一条弦,使弦被M 点平分,求这变式训练1、过椭圆+
164
条弦所在直线的方程。 (x +2y -4=0。)
y 2
=1,经过点M (1, 1) 能否作一条直线l ,使例2、存在性问题 已知双曲线x -2
2
l 与双曲线交于A 、B ,且点M 是线段AB 的中点。若存在这样的直线l ,求出它的方程,若不存在,说明理由。
策略:这是一道探索性习题,一般方法是假设存在这样的直线 ,然后验证它是
否满足题设的条件。本题属于中点弦问题,应考虑点差法或韦达定理。
解:设存在被点M 平分的弦AB ,且A (x 1, y 1) 、B (x 2, y 2)
则x 1+x 2=2,y 1+y 2=2
y y 2
x 1-1=1,x 2-2=1
22
2
2
2
两式相减,得
1y -y 2
(x 1+x 2)(x 1-x 2) -(y 1+y 2)(y 1-y 2) =0 ∴k AB =1=2
2x 1-x 2
故直线AB :y -1=2(x -1)
⎧y -1=2(x -1) ⎪
由⎨2y 2 消去y ,得2x 2-4x +3=0
x -=1⎪2⎩
∴ ∆=(-4) 2-4⨯2⨯3=-8
这说明直线AB 与双曲线不相交,故被点M 平分的弦不存在,即不存在这样的直线l 。
1
变式训练2: 已知双曲线x 2-y 2=1,过B (1,1)能否作直线l ,使l 与双曲线
2交于P ,Q 两点,且B 是线段PQ 的中点,这样的直线如果存在,求出它的方程;如果不存在,说明理由. (直线不存在)
例3平行弦中点轨迹,过定点弦中点轨迹
x 2
已知椭圆+y 2=1,求斜率为2的平行弦中点的轨迹方程.
2
解:
设弦的两个端点分别为P (x 1, y 1), Q (x 2, y 2),PQ 的中点为M (x , y ).
x 12x 222
+y 1=1,+y 22=1,则(1)(2) 22x 12-x 22
+(y 12-y 22)=0, (1)-(2)得:
2
∴
x 1+x 2y 1-y 2
+(y 1+y 2)=0. 2x 1-x 2
y 1-y 2
=2,∴x +4y =0. x 1-x 2
又x 1+x 2=2x , y 1+y 2=2y ,
弦中点轨迹在已知椭圆内,∴所求弦中点的轨迹方程为x +4y =0(在已知椭圆内).
y 2x 2
+=17525变式训练3-1已知椭圆, 求它的斜率为3的弦中点的轨迹方程。
x +y =0(-
55
3-2直线l :ax -y -(a +5)=0(a 是参数)与抛物线f :y =(x +1)的相交弦是AB ,则弦AB 的中点轨迹方程是 .(y =2x 2-7.)
x 2y 2
+=1
3-3过椭圆6436上一点P (-8,0)作直线交椭圆于Q 点,求PQ 中点
2
的轨迹方程。
(x +4) 2y 2
+=1
( 169 (x ≠-8) )
例4求曲线方程
x 2y 2
已知椭圆2+2=1(a >b >0)的一条准线方程是
a b
x =1,有一条倾斜角为
π⎛11⎫
的直线交椭圆于A 、B 两点,若AB 的中点为C -, ⎪,4⎝24⎭
求椭圆方程.
解:
x 12y 121
设A (x 1, y 1)、B (x 2, y 2),则x 1+x 2=-1, y 1+y 2=,且2+2=1,
2a b
x 22y 22
(1)2+2=1,(2)
a b
b 2(x 1+x 2)y 1-y 2x 12-x 22y 12-y 22b 2-1
=-2=-2⋅, (1)-(2)得:2=-2,∴
x 1-x 2a y 1+y 2a 1a b
2
∴1=k AB
y 1-y 22b 2
(3) ==2,∴a 2=2b 2,
x 1-x 2a
a 2
=1,∴a 2=c ,又(4) c
而a 2=b 2+c 2,(5) 由(3),(4),(5)可得a 2=
121
, b =, 24
x 2y 2
=1. ∴所求椭圆方程为+
1124
变式训练4 . 已知∆ABC 的三个顶点都在抛物线y 2=32x 上,其中A (2,8),且
∆ABC 的重心G 是抛物线的焦点,求直线BC 的方程.
(4x +y -40=0. ) 例5求直线斜率
已知椭圆
x 2y 2
+=1259
上不同的三点
A (1, x
)1y , ⎛
⎝9⎫
B (⎪4, 5⎭
, 2C 与焦x 点, F y (4, 0))的距离成等差数列. (1)求证:2
(2)若线段AC 的垂直平分线与x 轴的交点为T ,求直线BT 的斜率x 1+x 2=8;
k .
(1)证 (2)解:
略.
x 1+x 2=8,∴设线段AC 的中点为D (4, y 0).
x 12y 12x 22y 22
+=1,+=1,又A 、C 在椭圆上,∴(1)(2) 259259x 12-x 22y 12-y 22=-, (1)-(2)得:
259
∴
9(x 1+x 2)y 1-y 29836
. =-=-⋅=-
x 1-x 225y 1+y 2252y 025y 0
25y 025y 0
,∴直线DT 的方程为y -y 0=(x -4). 3636
∴直线DT 的斜率k DT =
9
-0
645⎛64⎫5令y =0,得x =,即T ,0⎪,∴直线BT 的斜率k ==
64425⎝25⎭4-25
例6、圆锥曲线上两点关于某直线对称问题
x 2y 2
=1,试确定的m 取值范围,使得对于直线y =4x +m ,椭圆上已知椭圆+
43
总有不同的两点关于该直线对称。
解:设P 1(x 1, y 1) ,P 2(x 2, y 2) 为椭圆上关于直线y =4x +m 的对称两点,P (x , y ) 为
弦P 1P 2的中点,则3x 1+4y 1=12,3x 2+4y 2=12 两式相减得,3(x 1-x 2) +4(y 1-y 2) =0
2
2
2
2
2
2
2
2
即3(x 1+x 2)(x 1-x 2) +4(y 1+y 2)(y 1-y 2) =0
x 1+x 2=2x ,y 1+y 2=2y ,
y 1-y 21
=-
x 1-x 24
∴y =3x 这就是弦P 1P 2中点P 轨迹方程。 它与直线y =4x +m 的交点必须在椭圆内
⎧y =3x ⎧x =-m 3
联立⎨,得⎨ 则必须满足y 2
4⎩y =4x +m ⎩y =-3m
322即(3m ) 2
41313
变式训练6 若抛物线C :y 2=x 上存在不同的两点关于直线l :y =m (x -3)对称,求实数m 的取值范围
. 综合性问题
例7、已知中心在原点,一焦点为F (0, ) 的椭圆被直线l :y =3x -2截得的弦
的中点的横坐标为
1
,求椭圆的方程。 2
(y 2x 2
解:设椭圆的方程为2+2=1,则a 2-b 2=50┅┅①
a b
设弦端点P (x 1, y 1) 、Q (x 2, y 2) ,弦PQ 的中点M (x 0, y 0) ,则
x 0=
11
,y 0=3x 0-2=- ∴x 1+x 2=2x 0=1,y 1+y 2=2y 0=-1 22
2
2
2
2
y x y x
又12+12=1,22+22=1 a b a b
两式相减得b 2(y 1+y 2)(y 1-y 2) +a 2(x 1+x 2)(x 1-x 2) =0 即-b 2(y 1-y 2) +a 2(x 1-x 2) =0
a 2y 1-y 2a 2
∴ 2=3┅┅② =∴
b x 1-x 2b 2
联立①②解得a 2=75,b 2=25
y 2x 2
=1 ∴所求椭圆的方程是+
7525
例8
x 2y 2
已知AB 是椭圆2+2=1(a >b >0)不垂直于x 轴的任意一条弦,
a b
P 是AB 的中点,O 为椭圆的中心. 求证:直线AB 和直线OP 的斜率之积是定值.
证明: 设A (x 1, y 1), B (x 2, y 2)且x 1≠x 2,
x 12y 12x 22y 22
则2+2=1,(1)2+2=1,(2) a b a b x 12-x 22y 12-y 22
(1)-(2)得:2=-2,
a b
b 2(x 1+x 2)b 2(x 1+x 2)y 1-y 2y 1-y 2
,∴k AB =. ∴=-2=-2
x 1-x 2x 1-x 2a y 1+y 2a y 1+y 2又k OP
x 2y 2⎛3⎫
+=1a >b >01, ⎪,F 1, F 2是椭圆C 的两个焦点,()例9. 已知椭圆C:a 2b 2经过M ⎝2⎭
y 1+y 2b 2b 21,∴k AB =-2⋅,∴k AB ⋅k OP =-2(定值) =
a x 1+x 2a k OP
且
MF 1+MF 2=4,O 为椭圆C 的中心。 (1)求椭圆 C的方程
(2)设P,Q 是椭圆C 上不同的两点,且O 为MPQ 的重心,试求MPQ 的面积 此题请学生讲解,这种方法不仅可以吸引学生听讲,也可增强学生数学表达能力。 解:(1)由椭圆的定义知2a =4, ∴a =2 ,
3x 2y 2
椭圆C 的方程为+2=1,带入点M (1, ) ,求得b 2=3
24b
x 2y 2
=1 故椭圆C :+
43
(2)当P , Q 在椭圆上时,不妨P (x 1, y 1), Q (x 2, y 2) ,则有
⎧⎪x 2⎪1+y 2
1=1⎨43(x 1+x 2)(x 1-x 2) =-(y 1+y 2)(y 1-y 2) ⎪x 222
,两式相减得⎪⎩4
+y 23=1
43 则
y 1-y 2=-3⨯x 1+x 2=-3⨯2x N 1
1x y =- 即k PQ =-,
1-x 24y 1+y 242N 2
2∴直线PQ 的方程为y +
34=-12(x +12) 即y =-1
2
x -1, ⎧
联立⎪y =-1⎨2x -122消去y 得x +x -2=0, ∴x =-2或x =1⎪x 2
⎩4
+y 3=1
不妨P (-2, 0), Q (1, -3139
2) ,由椭圆对称性知S ∆MPQ =2⨯2⨯3⨯2=2
.