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轨迹问题与定值、定点问题

2023-09-07 来源:画鸵萌宠网
中学数学教学参考 I f .zhongshuca,J COl/I 迹问 题与 百■ 张祖寅(江苏省无锡市第一中学) 问题的类型仍集中在:①轨迹问题:满足某限制条件 的动点轨迹,动点在某定曲线上;②定值问题:定比 值、定面积、定周长等;③定点问题:曲线恒过定点,探 求出点再加以证明。 l 专题综述 在历年的高考解析几何解答题中,轨迹问题与定 值、定点问题可以说是永恒的话题,经久不衰,常考常 新。因为在解答这类问题过程中,既有探索性的历 程,又有严密的逻辑推理及复杂的运算,成为考查学 生逻辑思维能力、知识迁移能力和运算求解能力的一 道亮丽的风景线,真正体现了考试大纲中“重知识,更 重能力”的指导思想。 2例题教学 (1)精选例题,举一反三。选题一定要明白选此 题的目的是为了解决本专题的重点或难点内容,题目 的创新点在哪里,等等,从而更好地发挥题目的示范 作用和潜在的功能。 重点:会用几何法、定义法、转移法、参数法、交轨 法等求动点轨迹;会用特殊探索法(特殊值、特殊位 置、特殊图形等)先确定出(定点)定值,将问题转化为 有方向、有目标的一般性证明题;会用设值法(设出定 (2)分析例题。为提高讲解的针对性与实效性, 宜采用下列教学策略:学生先行(思考、尝试),交流在 中(暴露疑点、难点),教师断后(点拨、归纳)。具体设 值为 ),将问题转化为恒成立问题求解。 难点:轨迹问题中方法的选取及消参方法,定点、 定值问题中的特殊探索法的应用及转化恒等式的 技巧。 计可采用“段落法”,这里的每一“段落”与高考阅卷的 “踩分点”基本一致,目的是让学生养成规范作答的习 惯,有利于在高考阅卷中争取更多的分数。每一段落 应包括下列项目:思路(人口)、难点(关键点)、对策、 操作(简要的解答步骤)、小结等。 易错点:①忽视求出轨迹后-z或 的范围;②根 据轨迹的纯粹性和完备性进行“去”和“留”的确认;③ (3)归纳提升,触类旁通。即通过题目的练习与 讲评,将蕴涵其中的重要思想方法进行总结与升华, 做到讲一例而通一类。 2.1 轨迹问题 消参的方法不当;④定点、定值转化为恒成立问题;⑤ 缺少策略性知识,如利用特殊值或特殊图形探寻 方向。 对策:①重视对几何图形的分析,数形结合,以 “形”引导思维,认识问题的本质,寻找解题的途径,制 定解题的策略;②加强学生的推理能力,严谨、合理的 例1 已知圆C:z -4- -4-6x一91—0及圆内一 点P(3,0),求过点P且与已知圆内切的圆的圆心M 的轨迹方程。 数学表述能力的培养;③重视数学思想方法的渗透, 如函数思想、化归与转化思想、分类与整合思想;培养 优化思维、优化运算的意识;④面对试题的创新点,能 大胆猜测、合情推理。 思路:两圆内(外)切,圆心距等于两半径之差绝 对值(两半径之和),而这里两半径之差为定值,联想 到椭圆的定义。圆心距与两圆半径和、半径差的大小 关系是判定两圆位置的重要依据。 解析:圆C的半径与圆心坐标可定,由两圆内切 笔者综合对近三年的“轨迹问题与定值、定点问 题”试题的研究,可大胆预测:对内容的考查和问题类 型会更加稳定,试题难度会基本持平,甚至略有下降。 可得:外圆半径一内圆半径+圆心距。动点M满足的 等量关系:{MCI+lMPl===10>{PCI,从而由定义 WWW.zhongshucan coFil 可确定动点M的轨迹为以P、C为焦点的椭圆。 思考:若P的坐标为(13,O),情况又是如何? 归纳:圆锥曲线很多性质相通,特别是椭圆与双 曲线若从对偶的角度来类比研究,则可达到事半功倍 的效果。 变式1 已知动圆与圆C :(z+5) +y 一49和 圆c :(z一5) + 一1都外切,求动圆圆心P的轨迹 方程。 分析:从已知条件可以确定圆C 、圆C。的圆心 与半径。由两圆外切可得:两圆半径和一圆心距。 答案:双曲线右支。 引伸:(1)若动圆P与圆C 内切,与圆C 外切, 则动圆圆心P的轨迹是什么?(双曲线右支) (2)若动圆P与圆C 内切,与圆C 外切,则动圆 圆心P的轨迹是什么?(双曲线左支) (3)若把圆c 的半径改为1,那么动圆P的轨迹 又是什么?(两定圆连心线的垂直平分线) 思考:上述的结论是否具有一般性?也就是与两 个外离的定圆都外切或与其中一个内切,另一个外切 的圆的圆心轨迹都是双曲线的一支?(当两个定圆不 相等时,结论是肯定的,当两定圆相等时,轨迹为两定 圆连心线的中垂线) 小结:(1)依条件列出等量关系式;(2)由等式的 几何意义,结合圆锥曲线的定义确定轨迹的形状;(3) 写出方程。 例2 如图1,椭圆z + ‘ 9y。===9的两个顶点为 A 。 — A1(一3,O)、A(3,0)。与y轴 D 一 平行的直线交椭圆于点E、F, 求AE和A F交点P的轨迹 图1 方程。 说明:在求动点轨迹时,有时会出现要求两条动 曲线交点(交轨法)的轨迹问题,这类问题常常通过解 方程组得出交点(含参数)的坐标,再消去参数求出所 求轨迹方程,该方法经常与参数法并用。 思路:直线AE和A F交于点P,而两条直线分 别过定点A与A ,因此设出直线方程是我们解题的 目标。这里点E、F关于X轴对称是解决问题的突 破口。 难点:如何选取参数和消去参数是解题的关键, 在直线过已知点的条件下是用“点斜式”还是“两点 式”? 中学数学教学参考 解析:设E(3cos 0,sin ),F(3cos 0,一sin ),于 是直线AE、A F的方程分别为 一 lz+3 3(1+COS )、(z≠- -3),’  ① 上一 ( ≠3), ② 35'一3 3(1一COS )、 ~’ 由①×②得z 一9y。一9。 ③ 又当z一±3时,点P与点A或A 重合,此时满 足③式,即方程z。一9y 一9为所求方程。 思考:如图2,双曲线z 一 ‘ 9y 一9的两个顶点为A (一3, O)、A(3,0)。与y轴平行的直 A 线交双曲线于点E、F,求AE和 / r. A F交点P的轨迹方程。 归纳:求两条动曲线交点的轨迹方程,其通法是 选择合适的参数(变量),根据参数表示出相关未知 量,选择的参数可以是一元、二元、多元,通过消元的 方法消去参数,得出动点坐标z、Y之间的关系式,整 理化简可得动点的轨迹方程。 例3 舰A在舰B的正东6 km处,舰C在舰B 的北偏西30。且与B相距4 km,它们准备捕海洋动 物,某时刻A发现动物信号,4 S后B、c同时发现这 种信号,A发射麻醉炮弹,设舰与动物均为静止的,动 物信号的传播速度为1 km/s,炮弹的速度是 ^V / 丝kJ m/ ,其中g为重力加速度,若不计空气阻 力与舰高,问舰A发射炮弹的方位角和仰角应是 多少? 说明:建立适当坐标系(若题中给定则可省),设 出动点坐标,利用题中所给“限制”条件列出代数关系 式,化简整理,但要注意轨迹上点的“挖”与“补”。简 称:建设“限”代化。 思路:在建立平面直角坐标系表示地理位置的时 候,通常以东西方向为横轴,以南北方向为纵轴,建立 平面直角坐标系。又A、B两舰发现海洋动物信号的 时间差为4秒,知l PB l—I PA 1—4,联想双曲线定义 可知原点为线段AB的中点。 难点:舰A在舰B的正东6 km处,因此点A、B 在z轴上,那原点在何处? 解析:取AB所在直线为z轴,以AB的中点为 原点,建立如图3所示的直角坐标系。由题意可知, 舰A(3,0),B(一3,O),C(一5,2√3)。由于B、C同时 中学数学教学参考 发现海洋动物信号,记海洋动物 y P 所在位置为P,则I PB I—I PCI。 于是P在线段BC的中垂线上, 易求得线段BC的中垂线方程为 B 0 一3 +7√ :0,又由A、B两 舰发现海洋动物信号的时间差为4秒,知l PB I— iPAl一4,故知点P在双曲线 一牛一1的右支上, 直线与双曲线的交点为(8,5√3),此即为海洋动物P 的位置,利用两点问的距离公式,可得l PA l一1O。据 已知两点的斜率公式得是 一√3,所以直线PA的倾 斜角为6O。,于是舰A发射炮弹的方位角应是北偏东 30。。设发射炮弹的仰角是 ,初速度Vo一 /2o ̄g, 则 一 ,于是sin 2 一譬,则仰角 一30。。 归纳:相同的图形在不同的坐标系中,其点的坐 标虽然不同,但实质不变。也就是说:把相同的图形 放在不同的坐标系下解决问题,不影Ⅱ向结论的一致 性,有的仅是数据的大小不同、过程的繁简不同而已。 而建立适当的直角坐标系,就能很好地解决解题时数 据过大、过程烦琐的情况。怎样建立合适的坐标系 呢?一般有三种考虑:一是建立的坐标系有利于求出 题目的结果;二是尽可能多地使图形上的点(或已知 点)落在坐标轴上;三是充分利用图形本身的对称性。 例4 如图4所示,已知 P(4,0)是圆 。+ 一36内的一 点,A、B是圆上两动点,且满足 一 APB一90。,求矩形APBQ的 顶点Q的轨迹方程。 说明:根据某个已知元素的 4 性质,以及该元素与未知元素的关系求出未知元素的 一些性质。转移法的关键是抓住元素间的关系,故又 称“关联法”。转移法作为一种常用的数学思想方法, 在高中数学各章节都有极其广泛的应用。 思路:主动点是A、B,点Q的产生有两种方法, 一是过点A与BP平行的直线z 和过点B与AP平 行的直线£ 的交点;二是取弦AB中点R,延长PR 至Q,使PR—RQ。若用方法一求解,则分别设出直 线z 、z 的方程,再用交轨法;若用方法二求解,则用 点R的坐标来表示点Q,实现点的转移。对某些较复 w矾 w zhongshI1( an ( 《)j11 杂的探求轨迹方程的问题,可先确定一个较易于求得 的点的轨迹方程,再以此点作为主动点,所求的轨迹 上的点为相关点,求得轨迹方程。 难点:矩形对角线性质的发现。(几何图形性质 是求轨迹的重要途径) 解析:没AB的中点为R(z , ),则在Rt△ABP 中,l AR l—I PR j。 又因为R是弦AB的中点,根据垂径定理,在 Rt△OAR中.『AR l 一l A()l ~f OR  I一36一(z + ;)。 又l AR l—j PR l一 ̄/( 一4) + , 所以有( 一4) + 一36一( ;+ ;), 即 十 一4x 一10—0。 因此点R在一个圆上,而当R在此圆上运动时, 点Q即在所求的轨迹上运动。 设Q(.r. ),因为R是PQ的中点,所以 一 +4 v+0 下, 1一 。 代入方程-,r + 一4z。~lO一0,得(—xq- 4 1 + (苦) 一4・ 一10—0,整理得z + 一56,这就 是所求顶点Q的轨迹方程。 变式2过点A(~1,0),斜率为尼的直线z与抛 物线C:y。一4x交于P、Q两点,若曲线C的焦点F 与P、Q、R三点构成平行四边形PFQR,求点R的轨 迹方程。 归纳:转移法的判定主要是看题中是否具备两个 条件:(1)主动点和从动点;(2)主动点在已知曲线上 运动(或主动点轨迹易求)。操作程序为:先设出主动 点坐标为(z 。).所求点(从动点)坐标为( , );再 找到主动点坐标z。、 。与从动点坐标 、 之间的关 系式,然后解方程组消去z。、 。,得到37、 的关系,即 得轨迹方程(注意“挖”“补”)。解题中要注意轨迹与 轨迹方程的区别。 2.2定值问题 求定值是解析几何中颇有难度的一类问题,由于 它在解题之前不知道定值的结果,因而更增添了题目 的神秘色彩。解决这类问题时,要善于运用辩证的观 点去思考分析,在动点的“变”中寻求定值的“不变” 性。其方法一般有以下两种:第一种,用特殊探索法 (特殊值、特殊位置、特殊图形等)先确定出定值,揭开 www.zhongsh ̄l《 ( t)H1誊 神秘的面纱,这样可将盲目的探索问题转化为有方向 有目标的一般性证明题,从而找到解决问题的突破 口。同时有许多定值问题,通过特殊探索法不但能够 确定出定值,还可以为我们提供解题的线索。第二 种,直接推理、计算,将待证为定值的量表示为某参数 的函数,再化简证明其与参数无关,从而证其为定值。 l 椤0 5 如图5,椭圆 + a//,一一= ~P 一1经过点u(1, 3),离心 \ 2// 、 率e一 1图5 ,直线z的方程为 一4。 (I)求椭圆的方程 (Ⅱ)AB是经过右焦点F的任一弦(不经过点 P),设直线AB与直线1相交于点M,记直线PA、 PB、PM的斜率分别为k 、k。、k。。问:是否存在常数 ,使得k 忌 一2k。?若存在,求出 的值;若不存在, 说明理由。 说明:定值问题一直是高考中的热点问题之一, 由于现行教材对这个问题没有做专门的介绍,因此也 成了高中数学的难点之一。 思路:本题是个探索性问题,一般的方法是先假 定结论成立,并以此为条件,往下推导,若能求出 的 值,则结论成立,否则产生矛盾。但本题中因为结论 对一般情况成立,则对特殊情况也必成立,所以反其 道行之,先特殊化处理(令直线AB与.76轴重合),求 出 ,再作一般性的证明,因为此时 是个具体的数, 证明的过程中计算必然相对简单。注意到本题中,直 线z的方程为.z一4,则直线z实际上是椭圆的右准 线,可继续探究,这对本题中的结论是必需的,还是纯 属巧合?如果是巧合,那么一般性的结论又是什么? 解析:设直线AB的方程为Y—k(z一1),代入椭 圆方程得关于 的方程,然后用根与系数的关系;或 设B(z。, 。)( 。≠1),求出点M的坐标和点A坐标, 表示出三个斜率。(过程略) ~2 .2 例6 已知椭圆C : “ +告一1(Ⅱ>6>0)的离心 率为 厶 ,右焦点F关于直线 一2y一0对称的点在圆 z + 。一4上。 (工)求此椭圆的方程; (Ⅱ)设M是椭圆C上异于长轴端点的任意一 点,试问在z轴上是否存在两个定点A、B,使得直线 中学数学教学参考 MA、MB的斜率之积为定值?若存在,求出所有符合 条件的两个定点的坐标及定值;若不存在,请说明 理由。 解析:(I)椭圆C 的方程 为 xz yZT ===1。(过程略) F)百3 (Ⅱ)设M(z , ),寻+ —_/ 图6 一l(Y1≠0,Iz ∈(~2√2, 2√ ))。 设A( ,O),B( ,O),足 ・尼 一 (定值), 得 . 一 , . 王1 HL 土1 t 即Y 一 (z1一 )( 1一 )。 则4(1一寻)一 (z 一( +,z)z +m ), ~2 所以4一 d.1=ix;一 (m 4-n)xl- ̄-arnn对V Iz1∈ (一2√2,2√2)且3C ≠m, ≠ 均成立, f一 一 ,  J一一专, 则{0一--2(m+n),解之得1m一2 , [4=2mn, I 一一2 。 即A(一2 ,0),B(2 ,0),定值 一一寺。 例5给出 ,而本题设出定值 ,目的都是将问题 转化为恒成立问题。由此发现所求两定点A(一2 √ ,0)、B(2√ ,0)实质是长轴的两端点,继而问题又 可延伸为:设点P为曲线C 上异于短轴端点的任一 动点,试问在Y轴上是否存在两个定点c、D,使得直 线PC、PD的斜率之积为定值?若存在,求出所有符 合条件的两个定点的坐标及定值;若不存在,请说明 理由。(定值 一一 1) 猜想:椭圆 xz yZT 一1(n>b>0)Jc 4 ̄N一点与 某两点的斜率之积为定值?椭圆的这一性质能否推 广到双曲线? 归纳:定值问题是解析几何中常见的一种问题, 基本的求解思想是:先用变量表示所需证明的不变 量,然后通过推导和已知条件,消去变量,得到定值, 即解决定值问题首先是求解非定值问题,即变量问 题,最后才是定值问题。求定值问题常见的方法有两 种:一种是从特殊入手,求出定值,再证明这个值与变 中学数学教学参考 量无关。另一种是直接推理、计算,并在计算推理的 过程中消去变量,从而得到定值。 2.3定点问题 定点问题是解析几何解答题的考查重点。此类 问题定中有动,动中有定,并且常与轨迹问题、曲线系 问题等相结合,动直线(或曲线)恒过某一定点的问 题,一般方法是先将动直线(或曲线)用参数表示出 来,再分析判断其所过的定点。 例7 已知动圆过定点A(4,0),且在y轴上截得 的弦MN的长为8。 (I)求动圆圆心的轨迹C的方程; (Ⅱ)已知点B(一1,0),设不垂直于.78轴的直线 与轨迹c交于不同的两点P、Q,若z轴是 PBQ的 角平分线,证明直线PQ过定点。 思路:定点问题的难点是动直线(或曲线)的表 示,一旦表示出来,其所过的定点就一目了然了。所 以动直线(或曲线)中,参数的选择就至关重要。此题 若设PQ方程为y—kx+b,然后代人所求轨迹C的 …2 、 方程,运算将十分复杂。若设点P(、等,L)  )(因所求轨 ㈨2 、 迹c的方程为 一8x)与点Q(、警,U  )( ≠Yz),由 k 一一是 解得,这样只有两个参数,使得运算更 简捷。 思考:本题可推广为一般的结论:不垂直于z轴 的直线与抛物线Y ===2px(p>O)交于不同的两点P、 Q,点M(m,O)(m<O),则直线PQ过定点(一Ttl,O)的 充要条件是 轴是 PMQ的角平分线。 在抛物线中,类似的命题还有很多,以下列举几 例,可加以练习: (1)直线z与抛物线y 一2px( >0)交于A(z , y。)、B(x , :)两点,则直线z与 轴交于M( ,0)的 充要条件是Y Y 一一2pm。特别地,直线z过焦点的 充要条件是 一一2p 。 (2)过点M(m,0)的直线z与抛物线y 一2px(P >0)交于A(z ,y )、B(x ,y )两点,则抛物线在A、 B两点的切线交于点N(一m,、  厶 ),, 反之也成立。 归纳:这类问题的解答还是有规律可循的,如:证 明动直线过定点的解题步骤可归纳为:一选、二求、三 定点。具体操作程序如下:一选,选择参变量。需要 证明过定点的动直线往往随某一个量的变化而变化, 可选择这个量为参变量(当动直线涉及的量较多时, 也可选取多个参变量);二求,求出动直线的方程。求 www.zhongshucan.( I)nl 出只含上述参变量的动直线方程,并由其他辅助条件 减少参变量的个数,最终使动直线方程的系数中只含 有一个参变量;三定点,求出定点的坐标。 例8 如图7,椭圆E: J, l .2 + 一1(“>6>o)的左焦点为 一 /j F ,右焦点为F ,离心率e一 图7 寺。过F 的直线交椭圆于A、 B两点,且△ABF 的周长为8。 (I)求椭圆E的方程; (Ⅱ)设动直线z: —kx+m与椭圆E有且只有 一个公共点P,且与直线z一4相交于点Q。试探究: 在坐标平面内是否存在定点M,使得以PQ为直径的 圆恒过点M?若存在,求出点M的坐标;若不存在, 说明理由。 解析:(1)椭圆E的方程为 +告一1。 (Ⅱ)由对称性可知,设P( ,yo)( >0),M(x,O)。 由等+等一1J ,得 一√3V 一手z2, 一 3x , 3xo ——====, 一一——。 4√3一导 2 4yo 由直线z:Y~ 。一一 ( — 。)与直线z一4相 交,可得Q(、 4, yo )。 由 :声・ 一0可得(z—Xo)(z一4)+yo・ 一0,则Xo(x--1)一(.Z'-1)(X--3),( ) yo (*)式对 。∈(一2,2)恒成立,所以51:一1,从而 M(1,0)。 分析图形特征,从对称性出发设点M(z,0),然 后用恒成立求出 是求定点的又一方法。 定点、定值问题的实质是等式恒成立,方法为待 定系数法。定点问题,关键在于寻找题中的已知量、 未知量问的平行、垂直关系或是方程、不等式,然后将 已知量、未知量代人上述关系,通过整理、变形转化为 过定点的直线系、曲线系的问题来解决。定值问题, 关键在于选定一个适合该题设的参变量,用题中已知 量和参变量表示题中所涉及的定义、方程、几何性质, 再用韦达定理等方法导出所求定值关系式需要的表 达式,并将其代入定值关系式,化简整理求出结果。 

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